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L'univers d'Einstein

La physique au 19ème

   Catégorie : matière et particules
Mise à jour 01 juin 2013

La physique a fait au 19ème siècle des progrès saisissants et la communauté des physiciens entre, en ce début du 20ème siècle, dans un débat passionné sur les lois fondamentales de l'Univers. D'un côté les partisans d'un monde mécanique obéissant aux lois de Newton et de l'autre les partisans d'un monde basé sur l'électricité et le magnétisme. A cette époque on parle d'éther présent dans tout l'espace, dans lequel se propage les phénomènes électromagnétiques et gravitationnels. Einstein et la théorie de la relativité restreinte va rentrer dans ce débat dès 1905.
En 1665 un homme était assis sous un arbre quand tout à coup "il vit une pomme tomber juste devant lui".
Avec la chute de cette pomme Isaac Newton révolutionna toute l'image de l'Univers. Dans une hypothèse audacieuse pour son temps, il affirme que la force qui attire la pomme vers le sol est la même que celle qui maintient la Lune autour de la Terre.

 

D'un seul coup il unifie les cieux et la Terre en une théorie unique qu'il appelle 'gravité'.
La gravité était la première force que l'on comprenait scientifiquement mais 3 autres forces allaient finalement suivre et quoi que Newton ait découvert la loi de la gravitation, il y a plus de 300 ans, ces équations décrivant cette force font de si exactes prédictions que nous continuons à les utiliser aujourd'hui. Ce sont elles qui ont permis aux scientifiques de calculer la trajectoire d'une fusée qui emmena l'homme sur la Lune.

nota: Chez les grecs l'éther n'est qu'un concept philosophique dont la fonction est de remplir l'espace qui ne peut être vide.

 

système solaire

Image : C'est grâce à la gravité que le Soleil a capté 99,86% de la masse totale de la poussière et du gaz de la nébuleuse originelle. Jupiter, la plus grosse planète du système, a capté 71% de la masse restante. Les autres planètes se sont partagées le résidu de cette évolution gravitationnelle, c'est à dire 0,038% de la masse totale.

L'univers d'Einstein

    

Avec Newton il y avait un problème, si ses lois décrivent la force de la gravité avec une grande précision, Newton dissimule pourtant un secret embarrassant, il n'a pas la moindre idée de la façon dont la gravité fonctionne. Ce n'est qu'au début du 20ème siècle qu'un petit employé du bureau suisse des inventions techniques va apporter une nouvelle vision de la gravité. Tout en étudiant les demandes de brevet, Albert Einstein médite sur le comportement de la lumière, il est loin de se douter que sa rêverie sur la lumière l'amènera à résoudre le mystère de la nature de la gravité. A l'âge de 26 ans Einstein fait une découverte stupéfiante. La vitesse de la lumière est une sorte de limite de vitesse cosmique, une vitesse que rien dans l'Univers ne peut dépasser.
Il y alors un problème, si rien ne peut se propager plus vite que la lumière, cela va à l'encontre de la vision Newtonienne de la gravité. Si dans une catastrophe cosmique le Soleil disparaissait tout à coup complètement, l'effet sur les planètes d'après Newton est immédiat. Sa théorie prédit qu'en cas de destruction du soleil, les planètes sortiraient immédiatement de leurs orbites pour dériver dans l'espace.
Newton envisageait la gravité comme une force agissant instantanément à n'importe quelle distance.

 

Immédiatement on ressentirait l'effet de la destruction du soleil, mais Einstein voyait un énorme problème dans la théorie de Newton. Il savait que la lumière se propage pas instantanément, il faut aux rayons du soleil 8 mn pour parcourir les 150 millions de km qui le sépare de la Terre. Or, il a démontré que rien, pas même la gravité ne peut voyager plus vite que la lumière.
Comment la Terre pourrait quitter son orbite avant que l'obscurité résultant de la disparition du soleil n'est atteint nos yeux ?
Pour le jeune scientifique du bureau suisse rien ne peut excéder la vitesse de la lumière et donc la vision Newtonienne de la gravité était fausse.
Si Newton se trompe pourquoi les planètes ne tombent-elles pas ?
Newton a voulu expliquer pourquoi les planètes sont en orbite. Or les équations de Newton permettent de calculer leur trajectoire. Einstein devait donc résoudre ce dilemme. Einstein doit imaginer une image de l'univers dans laquelle la gravité n'excède pas la limite de vitesse cosmique. Dans une quête solitaire pour résoudre ce mystère et après 10 années de réflexion, Einstein trouve enfin la réponse dans un nouveau genre d'unification.

 catastrophe cosmique

Image : La théorie de Newton prédit qu'en cas de destruction du soleil, les planètes sortiraient immédiatement de leurs orbites pour dériver dans l'espace. Newton envisageait la gravité comme une force agissant instantanément à n'importe quelle distance.

Le tissu déformé de l'espace temps

    

Einstein a fini par envisager les 3 dimensions de l'espace et la dimension unique du temps, comme liées dans un même tissu d'espace temps. Il espérait que cette compréhension de la géométrie de ce tissu quadridimensionnel d'espace temps lui permettrait de parler tout simplement d'objets évoluant le long des surfaces de cet espace temps. Comme la surface d'un trampoline, ce tissu unis et déformé est distendu par des objets lourds tels que les planètes et les étoiles et c'est cette déformation ou courbure de l'espace temps, qui crée ce que l'on ressent comme la gravité. Une planète comme la Terre est maintenant en orbite non parce que le Soleil la contrôle et de façon instantanée s'en empare comme dans la théorie de Newton, mais simplement parce qu'elle suit les courbes du tissu spatial, courbe causée par la présence du Soleil. Avec cette nouvelle compréhension de la gravité nous savons maintenant que si le Soleil disparait, comme dans notre catastrophe cosmique, la perturbation gravitationnelle qui en résulte, va former une vague qui se propagera à travers le tissu spatial de la même manière que des ondulations à la surface de l'eau, quand on jette un galet dans une mare.
Nous ne sentirions donc aucun changement dans notre orbite autour du soleil jusqu'à ce que cette vague atteigne la Terre.

 

De plus Einstein calcule que ces ondulations de gravité voyagent exactement à la vitesse de la lumière.
Ainsi avec cette nouvelle approche, Einstein résout le conflit avec Newton de savoir à quelle vitesse la gravité se propage. Einstein va donner au monde une nouvelle image de ce qu'est réellement la force de gravitation. Ce sont des courbes et des distorsions dans le tissu même de l'espace et du temps.
Il appelle cette nouvelle image de la gravité, théorie générale de la relativité. Malgré son extraordinaire réussite le physicien n'est pas encore satisfait et il se fixe aussitôt un autre objectif plus élevé encore, l'unification de la gravité avec la seule autre force connue à cette époque l'électromagnétisme. L'électromagnétisme n'avait était unifiée que quelques décennies auparavant par l'écossais James Clark Maxwell à travers 4 équations mathématiques.
Einstein est convaincu que s'il parvient à unifier sa nouvelle théorie de la gravité avec l'électromagnétisme de Maxwell, il sera en mesure de formuler la fameuse équation maitresse, celle qui peut décrire l'univers tout entier. Albert Einstein n'y parviendra pas, car déjà un groupe de jeunes scientifiques,  dans les années 1920, allait décrire une nouvelle théorie, la théorie des cordes, une manière nouvelle et très excentrique de penser la physique.

 la gravité selon Einstein

Image : Avec sa nouvelle approche, Einstein résout le conflit avec Newton qui est de savoir, à quelle vitesse la gravité se propage. Einstein va donner au monde une nouvelle image de ce qu'est réellement la force de gravitation. Article inspiré par le film de David Hickman "Ce qu'Einstein ne savait pas encore".

Il est plus juste de dire "théorie générale de la relativité" que "théorie de la relativité générale", c'est la théorie qui est générale et non la relativité. La théorie générale étend la théorie restreinte de la relativité, à la gravitation.
Pour les puristes, la théorie générale de la relativité est une théorie relativiste de la gravitation élaborée entre 1907 et 1915 principalement par Albert Einstein. Marcel Grossmann et David Hilbert sont également associés à cette réalisation pour avoir aidé Einstein à franchir les difficultés mathématiques de la théorie. La théorie générale de la relativité énonce que la gravitation est la manifestation de la courbure de l'espace-temps, produite par la distribution de la matière et de l'énergie. La mesure de la courbure moyenne de l'espace-temps est égale à la mesure de la densité d'énergie (Gij = χ Tij) Gij est le tenseur d'Einstein qui représente la courbure de l'espace-temps en un point, Tij est le tenseur énergie-impulsion qui représente la contribution de toute la matière et énergie à la densité d'énergie en ce point du champ gravitationnel. χ est un simple facteur dimensionnel, permettant d'exprimer l'équation dans les unités usuelles et de faire correspondre l'équation à la réalité physique et à la valeur observée de la constante gravitationnelle.

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