En 1905, Albert Einstein a bouleversé le monde de la physique théorique, publiant un ouvrage sur la discipline, qui sera plus tard appelé la théorie spéciale de la relativité. Elle a montré que l'espace et le temps ne peuvent pas être considérés comme des entités absolues: le temps peut accélérer ou ralentir, les longueurs standard peuvent être réduites, 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 théorie générale de la relativité, 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 en raison du fait que la lumière de celui-ci se courbe autour d'une galaxie située plus près de nous, agissant comme une lentille gravitationnelle.Ce n'est qu'en 1915 qu'Einstein a démontré son génie en publiant sa théorie générale de la relativité. Elle a soutenu 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 l'élan associés à toute matière dans un volume unitaire de l'espace.
Cette affirmation a été confirmée lorsqu'elle a coïncidé avec des observations de l'
orbite inhabituelle de Mercure et avec la lumière des étoiles se courbant autour du Soleil.
Au cours des cent dernières années, le GTR a été vérifié avec une précision incroyable et a réussi le test à chaque fois. La GR est devenue un bond en avant si gigantesque qu'on peut dire que si Einstein ne l'avait pas formulé, elle aurait pu rester longtemps inconnue.
Le chemin vers la théorie générale de la relativité
En 1907, «la pensée la plus heureuse de toute une vie» est venue à Einstein alors qu'il était assis sur une chaise au 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 stipule qu'il est impossible de distinguer entre un référentiel accélérateur et un champ gravitationnel. Par exemple, si vous vous tenez sur Terre, vous aurez exactement la même sensation que si vous vous teniez dans un vaisseau spatial se déplaçant avec une accélération de 9,81 m / s² - avec une accélération de la gravité sur Terre.
Ce fut la première étape importante dans la formulation d'une nouvelle théorie de la gravité.
Einstein pensait que «toute la physique est une géométrie». Il voulait dire qu'à propos de l'espace-temps et de l'Univers, on peut penser 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 précises comparant les observations faites par des observateurs dans des
référentiels inertiels et
rotatifs .
Il a établi que pour un observateur dans un référentiel tournant, l'espace-temps ne peut pas être euclidien, c'est-à-dire comme la géométrie plane que nous étudions tous dans les écoles. Nous devons introduire un «espace courbe» afin de prendre en compte les anomalies prédites par la relativité. La courbure devient la deuxième hypothèse la plus importante soutenant sa relativité générale.
Pour décrire l'espace incurvé, Einstein s'est tourné vers une œuvre antérieure de
Bernard Riemann , mathématicien du XIXe siècle. Avec l'aide de son ami
Marcel Grossman , 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 «par rapport à la compréhension de la gravité, la théorie spéciale de la relativité semblait être un jouet pour enfant».
Einstein avait maintenant un appareil mathématique pour mener à bien la théorie. Le principe d'équivalence a fait valoir qu'un référentiel accélérateur est équivalent à un champ gravitationnel. À la suite de ses études de géométrie, il croyait que le champ gravitationnel était une simple manifestation de l'espace-temps incurvé. Il a donc pu montrer que les référentiels accélérateurs étaient des espaces non euclidiens.
Développement
La troisième étape critique a été l'élimination des difficultés d'application du GR à la gravité newtonienne. Dans la théorie spéciale de la relativité, 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 newtonienne de la gravité, qui postulait l'action instantanée de la gravité.
En termes simples, la gravité newtonienne a déclaré que si vous retirez le Soleil du centre du système solaire, l'effet gravitationnel de cet événement se fera instantanément sentir sur la Terre. Mais STO 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, ce qui découle du Newtonien F = G * M * m / r². 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, trois hypothèses clés utilisées par Einstein pour formuler sa théorie étaient:
1. Dans
les systèmes de référence
rotatifs (non inertiels), l'espace est courbe (non euclidien).
2. Le principe d'équivalence dit que les référentiels accélérateurs sont équivalents aux champs gravitationnels.
3. De SRT suit l'équivalence de la masse et de l'énergie, 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-momentum crée et est proportionnelle à la courbure de l'espace-temps.
On ne sait pas quand il a eu un «aperçu», quand il a pu assembler ce puzzle et connecter la masse / énergie à la courbure de l'espace.
De 1913 à 1915, Einstein a publié plusieurs ouvrages tout en travaillant sur l'achèvement de la relativité générale. Dans certains travaux, des erreurs ont été commises, à cause desquelles Einstein perdait du temps sur des distractions inutiles dans des considérations théoriques.
Mais le résultat final, que la densité d'énergie-momentum 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 les plus grandes suppositions faites par l'intelligence humaine.
Handicap
Combien de temps comprendrions-nous la gravité sans le génie d'Einstein avec nous? Il est possible que nous devions attendre cela pendant plusieurs décennies. Mais en 1979, l'énigme allait sûrement sortir. Cette année-là, les astronomes ont découvert les «
quasars jumeaux », QSO 0957 + 561, le premier quasar à observer les lentilles gravitationnelles.
Cette découverte étonnante ne peut s'expliquer que par la courbure de l'espace-temps. Pour lui, ils auraient probablement reçu le prix Nobel, sinon pour le génie d'Einstein. Ou peut-être vaut-il la peine de donner.