Demandez à Ethan: si la masse plie l'espace-temps, comment se redresse-t-elle?

La courbure de l'espace-temps près de tout objet massif est déterminée par la combinaison de la masse et de la distance au centre de masse. Il est nécessaire de prendre en compte d'autres paramètres, tels que la vitesse, l'accélération et d'autres sources d'énergie.

La matière indique à l'espace comment se plier, et l'espace courbe indique à la matière comment se déplacer. C'est le principe de base de la relativité générale d'Einstein, qui pour la première fois a relié un phénomène comme la gravité à l'espace-temps et à la relativité. Placez la masse n'importe où dans l'univers et l'espace autour d'elle réagira par courbure. Mais si vous retirez la masse ou la déplacez, qu'est-ce qui fait que l'espace-temps "se met en place", en supposant une position non déformée? Une telle question est posée par notre lecteur:

On nous apprend que la masse déforme l'espace-temps, et la courbure de l'espace-temps autour de la masse explique la gravité - par exemple, un objet en orbite autour de la Terre se déplace réellement en ligne droite se trouvant dans l'espace-temps incurvé. Supposons que cela ait du sens, mais lorsqu'une masse (comme la Terre) se déplace dans l'espace-temps et la plie, pourquoi l'espace-temps ne reste-t-il pas incurvé? Quel mécanisme redresse cet espace-temps lorsque la masse se déplace?

Beaucoup de choses intéressantes sont liées à cette question, et la réponse peut réellement vous aider à comprendre comment fonctionne la gravité.


La courbure de l'espace, qui lui est donnée par les planètes et le Soleil dans notre système solaire, doit être prise en compte dans le processus de toute observation qu'un vaisseau spatial ou autre observatoire peut faire. Les effets de la relativité générale, même les plus petits, ne peuvent être ignorés.

Des centaines d'années avant Einstein, le newtonien était notre meilleure théorie de la gravité. Le concept de l'univers de Newton était simple, direct et philosophiquement ne satisfaisait pas beaucoup. Il a déclaré que deux masses quelconques de l'Univers, indépendamment de leur emplacement et de leur distance, s'attirent instantanément l'une l'autre à l'aide d'une force mutuelle, connue sous le nom de gravité. Plus chaque corps est massif, plus la force est grande et plus il est éloigné, moins la force (décroissant avec le carré de la distance). Cela s'applique à tous les objets de l'Univers, et la loi de Newton de la gravitation universelle , contrairement à toutes les autres alternatives existantes, coïncidait idéalement avec les observations.


La loi de Newton de la gravitation universelle, remplacée par la théorie de la relativité d'Einstein, était basée sur l'action instantanée des forces à distance

Mais il a introduit une idée que beaucoup des plus grands esprits de l'époque ne pouvaient pas accepter: le concept d'action à distance. Comment deux objets situés à différentes extrémités de l’univers peuvent-ils s’affecter soudainement et instantanément? Comment peuvent-ils interagir à une si grande distance pour qu'il n'y ait rien entre eux? Descartes ne pouvait pas accepter ce concept, et en a plutôt formulé un autre, dans lequel il y avait un environnement à travers lequel la gravité se propageait. Il a affirmé que le cosmos est rempli d'une sorte de matière et que lorsque la masse s'y déplace, elle déplace la matière et crée des tourbillons - c'était une première version de l'éther. Cette théorie est la première d'une longue lignée de ce que l'on appellera plus tard les théories mécaniques (ou cinétiques) de la gravité .


Dans la version de la gravité de Descartes, l'espace était rempli d'éther, et seul son déplacement pouvait expliquer la gravité. Cette idée n'a pas conduit à la formulation de la gravité, qui a coïncidé avec les observations.

Bien sûr, le concept de Descartes s’est avéré faux. L'utilité de la théorie physique détermine la coïncidence avec l'expérience, et non notre prédisposition à certains critères esthétiques. Lorsque GTR est apparu, il a fondamentalement changé l'image dessinée par les lois de Newton. Par exemple:

• L'espace et le temps n'étaient pas absolus et identiques partout, mais étaient connectés et se comportaient différemment pour les observateurs se déplaçant à des vitesses différentes dans des endroits différents.
• La gravité n'agit pas instantanément, mais se déplace à une vitesse limitée - à la vitesse de la lumière.
• La gravité n'est pas déterminée directement par la masse et la position, mais par la courbure de l'espace, qui, à son tour, est déterminée par toute la masse et l'énergie de l'univers.

L'action à distance n'a pas disparu, mais la «force agissant à une distance infinie à travers l'espace immobile» de Newton a été remplacée par la courbure de l'espace-temps.


La courbure de l'espace-temps signifie que les horloges situées plus profondément dans le puits gravitationnel - et, par conséquent, dans l'espace plus fortement incurvé - fonctionnent à une vitesse différente des horloges situées dans un espace moins profond et moins incurvé.

Si le Soleil disparaissait soudainement de l'Univers, pendant un certain temps, nous ne le saurions pas. La terre ne se serait pas envolée en ligne droite; il continuerait à tourner autour de l'emplacement du Soleil pendant encore 8 minutes et 20 secondes. La gravité n'est pas déterminée par la masse, mais par la courbure de l'espace, qui est déterminée par la somme de toute la matière et de l'énergie qui s'y trouve.

Si vous supprimiez le Soleil, l'espace passerait d'un état incurvé à un état plat, mais cette transformation ne se produit pas instantanément. L'espace-temps est un tissu, et la transition devrait avoir lieu sous la forme d'une sorte de mouvement brusque envoyant de très grandes vagues - gravitationnelles - à travers l'Univers, qui se propagent à travers lui comme des ondulations à la surface d'un étang.


Chaque onde se propageant dans un milieu ou dans le vide a une vitesse de propagation. Il n'y a pas de vitesse infinie et, en théorie, la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles devrait coïncider avec la vitesse maximale autorisée dans l'Univers: la vitesse de la lumière.

La vitesse de propagation des ondes est déterminée de la même manière que la vitesse de tout dans la théorie de la relativité est déterminée: leur énergie et leur masse. Comme les ondes gravitationnelles n'ont pas de masse, mais ont une énergie finie, elles doivent se déplacer à la vitesse de la lumière. Et cela signifie que la Terre n'est pas vraiment liée directement à l'emplacement du Soleil dans l'espace - elle est liée à l'endroit où le Soleil était il y a un peu plus de 8 minutes.


Le rayonnement gravitationnel apparaît à chaque fois lorsqu'une masse se déplace sur une orbite autour d'une autre, donc les orbites diminuent assez longtemps. Dans le futur, la Terre tombera en spirale dans ce qui reste du Soleil, si auparavant aucun corps ne l'a jeté hors de l'orbite. La Terre est attachée à l'endroit où se trouvait le Soleil il y a environ 8 minutes, et non à l'endroit où il se trouve actuellement.

C'est étrange, et potentiellement un problème, car nous avons assez bien étudié le système solaire. Si la Terre était liée à l'emplacement du Soleil, qu'elle occupait il y a ≈ 8 minutes selon les lois de Newton, alors les orbites des planètes ne coïncideraient pas avec les observations. Cependant, GRT diffère sous un autre aspect. Pour les calculs, il est nécessaire de prendre en compte la vitesse de la planète se déplaçant en orbite autour du Soleil.

Par exemple, la Terre, puisqu'elle se déplace également, dans un sens, «chevauche» ces vagues voyageant dans l'espace, ne tombant pas là où elle avait été soulevée auparavant. Il y a deux nouveaux phénomènes dans GR qui le distinguent fortement du newtonien: la perception de la gravité de l’objet est affectée par la vitesse de chaque objet, ainsi que les changements dans le champ gravitationnel.


Le tissu de l'espace-temps, avec des vagues et des déformations dues à la présence de masses. Le tissu de l'espace, bien sûr, est incurvé, mais lorsque la masse se déplace à travers un champ gravitationnel changeant, beaucoup de choses intéressantes se produisent.

Si vous voulez calculer la courbure de l'espace-temps à n'importe quel point de l'espace, GR vous permet de le faire, mais vous devez d'abord savoir quelque chose. Vous devez connaître l'emplacement, l'ampleur et la distribution de toutes les masses de l'univers, exactement comme Newton l'exigeait. En outre, vous avez besoin d'informations sur les éléments suivants:

• comment ces masses se déplacent et se déplacent
• comment toutes les autres formes d'énergie qui n'appartiennent pas à la masse sont distribuées,
• comment l'objet à partir duquel vous observez se déplace dans un champ gravitationnel changeant,
• et comment la courbure de l'espace change avec le temps.

Et ce n'est qu'avec ces connaissances supplémentaires que nous pouvons calculer la courbure de l'espace à un certain point dans l'espace et le temps.


L'évolution de l'espace-temps et le travail de la gravité sont déterminés non seulement par la position et l'ampleur des masses, mais aussi par la façon dont elles se déplacent les unes par rapport aux autres et accélèrent dans un champ gravitationnel changeant.

Cette courbure et ce redressage ont leurs coûts. L'accélération de la Terre ne peut pas simplement se déplacer dans le champ gravitationnel changeant du Soleil sans conséquences. Ils existent, bien que petits, et peuvent être mesurés. Contrairement à la théorie de Newton, selon laquelle la Terre devrait décrire une ellipse fermée se déplaçant autour du Soleil, GR prédit que cette ellipse devrait subir une précession au fil du temps, et l'orbite diminuera lentement. L'intervalle de temps pendant lequel cela se produira peut dépasser l'âge actuel de l'Univers, mais, néanmoins, l'orbite ne restera pas stable pendant un temps arbitraire.

Avant même de mesurer les ondes gravitationnelles, c'était la principale méthode de mesure de la vitesse de gravité. Pas sur l'exemple de la Terre, mais sur l'exemple d'un système aux paramètres extrêmes, dans lequel on peut facilement remarquer le changement d'orbite: un système de deux objets en orbite rapprochée, dont au moins un est une étoile à neutrons.


La façon la plus simple de voir cet effet est de savoir si un objet massif se déplace avec une vitesse changeant rapidement dans un champ gravitationnel fort et changeant. Et de telles conditions nous donnent des systèmes d'étoiles binaires d'étoiles à neutrons! Une ou deux de ces étoiles tournantes émettent des impulsions qui sont visibles sur Terre chaque fois que l'axe de l'étoile passe par la ligne de visée. Les prédictions de la théorie de la gravité d'Einstein sont extrêmement sensibles à la vitesse de la lumière, à tel point que même après avoir observé le tout premier pulsar, le système binaire PSR 1913 + 16 , découvert dans les années 1980 ( le système binaire Hals-Taylor ), nous avons imposé des restrictions sur la vitesse de gravité, ce qui coïncidé avec la vitesse de la lumière dans l'erreur de mesure de seulement 0,2%!


Le taux de diminution de l'orbite d'un double pulsar dépend fortement de la vitesse de gravité et des paramètres orbitaux du système binaire. Nous avons utilisé des données pulsar binaires pour limiter la vitesse de gravité et l'assimiler à la vitesse de la lumière avec une précision de 99,8%

Ce n'est que par l'exemple de ces doubles pulsars que nous avons appris que la vitesse de gravité est de l'ordre de 2,993 × 10 ⁸ - 3 003 × 10 ⁸ m / s. Cela confirme le GTR et exclut la gravité newtonienne et d'autres alternatives. Mais un mécanisme expliquant pourquoi l'espace ne se plie pas lorsque la masse qui se trouvait à un endroit le quitte; GR n'est pas une explication à cela. Une masse se déplaçant avec accélération à travers un champ gravitationnel changeant rayonnera de l'énergie, et cette énergie sera des ondes, appelées ondes gravitationnelles, traversant la question de l'espace-temps. Un retour à un état d'équilibre sans distorsion se produit naturellement. Il ne nécessite pas d'explication supplémentaire, GR est tout. [ Lorsque Newton a été interrogé sur la nature de la gravité, il a répondu: je ne fais pas d'hypothèse / env. perev. ]