En 1905, Albert Einstein a bouleversé le monde de la physique théorique en publiant un ouvrage dans la discipline qui sera plus tard appelé la théorie spéciale de la relativité. Elle a montré que l'espace et le temps ne peuvent être considérés comme des entités absolues: le temps peut accélérer ou ralentir, les longueurs standard peuvent se contracter, les masses peuvent augmenter.
Et, le résultat le plus célèbre, l'équivalence de la masse d'énergie, et leur proportion est exprimée par l'équation E = mc².
Personne ne doute du génie d'Einstein, qui a formulé la relativité générale, mais il est généralement admis que s'il n'avait pas publié sa théorie en 1905, un autre physicien l'aurait bientôt fait à sa place.
"Croix d'Einstein" - quatre images d'un quasar éloigné, obtenues du fait que la lumière qui en émane se plie autour de la galaxie située plus près de nous, fonctionnant comme une lentille gravitationnelle.
Ce n'est qu'en 1915 qu'Einstein a démontré son génie en publiant sa théorie de la relativité générale. Elle a fait valoir que la courbure de l'espace-temps est proportionnelle, et se produit également en raison de la "densité d'énergie-impulsion", c'est-à-dire l'énergie et le moment associés à toute matière dans une unité de volume d'espace.
Cette déclaration a été confirmée lorsqu'elle a coïncidé avec les observations de l'orbite inhabituelle de Mercure et avec la lumière des étoiles se pliant autour du Soleil.
Au cours des cent dernières années, la relativité générale a été testée avec une précision étonnante et a résisté à l'épreuve à chaque fois. La relativité générale est devenue un si grand pas en avant qu'on peut dire que si Einstein ne l'avait pas formulée, elle pourrait rester longtemps inconnue.
Le chemin de la relativité générale
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En 1907, Einstein eut la «pensée la plus heureuse de sa vie» alors qu'il était assis sur une chaise du bureau des brevets de Berne:
Si une personne tombe librement, elle ne sent pas son poids.
Elle l'a conduit à la formulation du «principe d'équivalence», qui dit qu'il est impossible de distinguer entre le référentiel accélérateur et le champ gravitationnel. Par exemple, si vous êtes sur Terre, vous vous sentirez exactement comme si vous vous trouviez dans un vaisseau spatial se déplaçant à une accélération de 9,81 m / s² - avec l'accélération de la gravité sur Terre.
C'était la première étape majeure vers la formulation d'une nouvelle théorie de la gravité.
Einstein croyait que «toute physique est géométrie». Il voulait dire que l'espace-temps et l'Univers peuvent être considérés en termes géométriques. La conclusion la plus surprenante de la relativité générale, la nature dynamique du temps et de l'espace, a apparemment conduit Einstein à la nécessité de repenser l'espace-temps «géométrique».
Einstein a mené une série d'expériences de pensée soignées comparant les observations faites par des observateurs dans des cadres de référence inertiels et rotatifs.
Il a établi que pour un observateur dans un référentiel rotatif, l'espace-temps ne peut pas être euclidien, c'est-à-dire tel que cette géométrie plate que nous étudions tous dans les écoles. Nous devons introduire «l'espace courbe» dans notre raisonnement pour rendre compte des anomalies prédites par la relativité. La courbure devient la deuxième hypothèse la plus importante soutenant sa relativité générale.
Pour décrire l'espace courbe, Einstein s'est tourné vers un travail antérieur de Bernard Riemann, un mathématicien du 19e siècle. Avec l'aide de son ami Marcel Grossmann, également mathématicien, Einstein a passé plusieurs années fastidieuses à étudier les mathématiques des espaces courbes - ce que les mathématiciens appellent la «géométrie différentielle». Einstein a noté que "comparé à la compréhension de la gravité, la relativité restreinte semblait être un jeu d'enfant".
Einstein avait maintenant l'appareil mathématique pour mener la théorie à son terme. Le principe d'équivalence stipulait qu'un cadre de référence accélérateur équivaut à un champ gravitationnel. À la suite de ses études en géométrie, il pensait que le champ gravitationnel était une simple manifestation de l'espace-temps courbe. Par conséquent, il a pu montrer que les référentiels accélérateurs étaient des espaces non euclidiens.
Développement
La troisième étape la plus importante a été l'élimination des difficultés d'application de la relativité générale à la gravité newtonienne. Dans la théorie de la relativité restreinte, la constance de la vitesse de la lumière dans tous les cadres de référence et l'affirmation selon laquelle la vitesse de la lumière est la vitesse maximale atteignable contredisaient la théorie de la gravité de Newton, qui postulait l'instantanéité de l'action de la gravité.
En termes simples, la gravité newtonienne disait que si le soleil était éloigné du centre du système solaire, l'effet gravitationnel de cet événement serait instantanément ressenti sur Terre. Mais SRT dit que même l'effet de la disparition du Soleil se déplacera à la vitesse de la lumière.
Einstein savait également que l'attraction gravitationnelle de deux corps est directement proportionnelle à leurs masses, qui découlent de F = G * M * m / r² de Newton. Par conséquent, la masse a clairement déterminé la force du champ gravitationnel. SRT dit que la masse est équivalente à l'énergie, donc la densité d'énergie-impulsion devrait également déterminer la force de gravité.
En conséquence, les trois hypothèses clés utilisées par Einstein pour formuler sa théorie étaient:
1. Dans les référentiels rotatifs (non inertiels), l'espace est courbe (non euclidien).
2. Le principe d'équivalence dit que les cadres de référence accélérés sont équivalents aux champs gravitationnels.
3. L'équivalence de la masse et de l'énergie découle de la SRT, et de la physique newtonienne il s'ensuit que la masse est proportionnelle à la force de gravité.
Einstein a pu conclure que la densité d'énergie-impulsion crée et est proportionnelle à la courbure de l'espace-temps.
On ne sait pas quand il a eu sa «perspicacité», quand il a pu résoudre ce puzzle et relier masse / énergie à la courbure de l'espace.
De 1913 à 1915, Einstein a publié plusieurs articles, tout en travaillant à l'achèvement de la relativité générale. Des erreurs ont été rencontrées dans certains des travaux, ce qui a conduit Einstein à perdre du temps sur des distractions inutiles dans le raisonnement théorique.
Mais le résultat net, que la densité d'énergie-impulsion plie l'espace-temps, comme une boule de bowling est une feuille de caoutchouc étirée, et que le mouvement de la masse dans un champ gravitationnel dépend de la courbure de l'espace-temps est, sans aucun doute, la plus grande supposition faite par l'intelligence humaine.
Handicap
Combien de temps aurions-nous compris la gravité sans le génie d'Einstein? Il est possible que nous devions attendre cela pendant plusieurs décennies. Mais en 1979, le mystère sortirait sûrement. Cette année-là, les astronomes ont découvert des «quasars jumeaux», QSO 0957 + 561, le premier quasar à observer la lentille gravitationnelle.
Cette découverte étonnante ne peut s'expliquer que par la courbure de l'espace-temps. Pour lui, ils auraient probablement décerné le prix Nobel, sinon pour le génie d'Einstein. Ou peut-être qu'elle devrait encore être donnée.
