Introduction à la relativité générale - Définition

Recherche actuelle : la relativité générale et au-delà

La relativité générale a de grands succès en donnant un cadre pour des modèles précis décrivant un ensemble impressionnant de phénomènes physiques. D'autre part, il reste beaucoup de questions encore ouvertes, et intéressantes : en particulier la théorie dans son ensemble est presque certainement incomplète.

À l'opposé de toutes les autres théories modernes des interactions fondamentales, la relativité générale est une théorie classique : elle ne comprend pas les effets de la mécanique quantique. La recherche d'une version quantique de la relativité générale aborde l'une des questions ouvertes les plus fondamentales de la physique. Il y a des candidats prometteurs pour une telle théorie de la gravitation quantique : en particulier les diverses variations de théorie des cordes et de théorie des supercordes. Cependant aucune de ces théories n'est logiquement cohérente ni complète. On a aussi longtemps espéré qu'une théorie de la gravitation quantique pourrait éliminer une autre structure problématique de la relativité générale : la présence de singularités gravitationnelles de l'espace-temps. Ces singularités sont des lignes ou des surfaces dans l'espace-temps où la géométrie perd sa signification, avec la conséquence que la relativité générale y perd son pouvoir de prédiction. De plus, il existe des théorèmes sur les singularités de Stephen Hawking et de Roger Penrose, qui expriment la nécessité de ce type de singularité dans un univers soumis aux lois de la relativité générale, en l'absence de toute modification quantique. Les exemples les plus connus sont les singularités présentes dans la description des trous noirs et du Big Bang.

D'autres tentatives pour modifier la relativité générale ont été faites dans le cadre de la cosmologie. Dans les modèles cosmologiques modernes, la majorité de l'énergie de l'univers est sous des formes encore jamais directement détectées : l'énergie noire et la matière noire. Il y a eu quelques propositions controversées pour court-circuiter le besoin d'introduire les formes énigmatiques de matière et d'énergie, en modifiant les lois régissant la gravitation et la dynamique de l'expansion de l'Univers, par exemple une dynamique newtonienne modifiée.

Il est possible qu'une autre raison pour modifier la théorie d'Einstein puisse être trouvée plus près de chez nous, sous forme de ce qui est connu sous le nom d'anomalie Pioneer, d'après les noms des sondes spatiales Pioneer 10 et Pioneer 11. En tenant compte de tous les effets connus, gravitationnels ou autres, les trajectoires de ces sondes peuvent être prédites avec une très faible fourchette d'erreurs possibles. Mais les observations montrent, entre trajectoires observées et calculées, une divergences supérieure à cette fourchette de possibles. La possibilité d'une nouvelle physique n'a pas pu être éliminée malgré toutes les tentatives d'explication plus sages.

Au-delà des problèmes posés par les effets quantiques et les singularités cosmologiques, la recherche en relativité générale est remplie de possibilités d'explorations supplémentaires : les mathématiciens de la relativité explorent la nature des singularités et la nature exacte des équations d'Einstein, et des simulations d'espace-temps spécifiques sont effectuées sur ordinateur (comme par exemple celles de trous noirs tombant l'un sur l'autre), et la course à la première détection directe d'ondes gravitationnelles se poursuit.

Plus de 90 ans après la publication de la théorie, la recherche est toujours plus active.