Dans un discours prononcé le 27 avril 1900 à la Royal Institution of Great Britain, Lord Kelvin a déclaré : «La physique théorique est un édifice mince et complet. Il n’y a que deux petits nuages dans le ciel clair de la physique : la constance de la vitesse de la lumière et la courbe de l’intensité du rayonnement en fonction de la longueur d’onde. Je pense que ces deux questions privées seront bientôt réglées et que les physiciens du vingtième siècle n’auront plus rien à faire». Lord Kelvin avait parfaitement raison d’indiquer les domaines clés de la recherche en physique, mais il en a mal mesuré l’importance : la théorie de la relativité et la théorie quantique, qui en sont issues, se sont révélées être un vaste champ de recherche qui occupe l’esprit des scientifiques depuis plus de cent ans.
Table des matières
La formation de la théorie
Modèle 3D de la courbure de l’espace-temps sous l’influence du Soleil et de la Terre
La théorie de la relativité restreinte ne décrivant pas l’interaction gravitationnelle, Einstein, peu après son achèvement, a commencé à développer une version générale de la théorie, qu’il a passé les années 1907-1915 à élaborer. La théorie était magnifique par sa simplicité et sa cohérence avec les phénomènes naturels, à l’exception d’un seul point : à l’époque de la théorie d’Einstein, on ne connaissait pas encore l’expansion de l’Univers ni même l’existence d’autres galaxies, si bien que les scientifiques de l’époque pensaient que l’Univers existait depuis infiniment longtemps et qu’il était stationnaire. Parallèlement, la loi de la gravitation universelle de Newton implique que les étoiles fixes ont dû être simplement rapprochées à un moment donné.
N’ayant pas trouvé de meilleure explication à ce phénomène, Einstein a introduit dans ses équations la constante cosmologique, qui compensait numériquement l’attraction gravitationnelle et permettait ainsi à l’Univers stationnaire d’exister sans violer les lois de la physique. Par la suite, Einstein a commencé à considérer l’introduction de la constante cosmologique dans ses équations comme sa plus grande erreur, car elle n’était pas nécessaire à la théorie et n’était confirmée par rien d’autre que l’Univers stationnaire qui existait à l’époque. En 1965, le rayonnement relique a été découvert, ce qui signifie que l’Univers a eu un commencement et que la constante dans les équations d’Einstein n’était plus du tout nécessaire. Néanmoins, la constante cosmologique a été trouvée en 1998 : selon les données obtenues par le télescope Hubble, les galaxies lointaines n’ont pas ralenti leur expansion due à l’attraction gravitationnelle, mais l’ont même accélérée.
Fondements de la théorie
Le processus de déplacement des rayons lumineux le long de lignes géodésiques sous l’action de corps massifs.
«La croix d’Einstein (en haut) et le fer à cheval cosmique (en bas)
Outre les postulats de base de la théorie de la relativité restreinte, un nouveau postulat a été ajouté : la mécanique de Newton donnait une évaluation numérique de l’interaction gravitationnelle des corps matériels, mais n’expliquait pas la physique de ce processus. Einstein est parvenu à le décrire au moyen de la courbure d’un corps massif dans un espace-temps à quatre dimensions : le corps crée une perturbation autour de lui, à la suite de laquelle les corps environnants commencent à se déplacer le long de lignes géodésiques (les lignes de latitude et de longitude terrestres, qui semblent être des lignes droites pour l’observateur interne, mais qui sont en réalité légèrement courbées, sont des exemples de telles lignes). Les rayons lumineux sont également déviés de la même manière, ce qui déforme l’image visible derrière l’objet massif. Si les positions et les masses des objets coïncident parfaitement, on assiste à l’effet de lentille gravitationnelle (lorsque la courbure de l’espace-temps agit comme une énorme lentille, rendant la source de lumière lointaine beaucoup plus lumineuse). Si les paramètres ne coïncident pas parfaitement, des «croix d’Einstein» ou des «cercles d’Einstein» peuvent se former sur les images astronomiques d’objets distants.
Parmi les prédictions de la théorie figuraient également la dilatation gravitationnelle du temps (qui, à l’approche d’un objet massif, agit sur le corps de la même manière que la dilatation du temps dans le sillage de l’accélération), le décalage vers le rouge gravitationnel (lorsqu’un faisceau de lumière émis par un corps massif passe dans la partie rouge du spectre en raison de sa perte d’énergie pour le travail de sortie du «puits de gravité»), ainsi que les ondes gravitationnelles (perturbation de l’espace-temps, qui produit tout corps ayant une masse dans le processus de son mouvement).
Statut de la théorie
La première confirmation de la théorie générale de la relativité a été obtenue par Einstein lui-même en 1915, lors de sa publication : la théorie a décrit avec une précision absolue le déplacement du périhélie de Mercure, qui ne pouvait jusqu’alors être expliqué à l’aide de la mécanique newtonienne. Depuis, de nombreux autres phénomènes ont été découverts, qui avaient été prédits par la théorie, mais qui, à l’époque de sa publication, étaient trop faibles pour être détectés. La dernière découverte en date est celle des ondes gravitationnelles, le 14 septembre 2015.
Relativité et théorie quantique
Bien que la théorie de la relativité décrive remarquablement bien les processus du macrocosme, le monde du microcosme est toujours régi par la théorie quantique. Einstein lui-même, dans les dernières années de sa vie, a tenté de réunir ces deux théories en une théorie unifiée, qui a déjà été appelée «la théorie du tout». Mais il a échoué cette fois-ci, comme de nombreux scientifiques qui ont tenté de le faire après lui. Jusqu’au début des années 2000, il semblait qu’avec l’apparition de la théorie des cordes, la solution était presque trouvée, mais la réconciliation de tous les types d’interactions et de particules élémentaires n’a toujours pas abouti : si, à un certain nombre de mesures, cette théorie est bien décrite par certaines particules, d’autres ne correspondent pas du tout, à un autre nombre de mesures, la théorie est merveilleusement décrite par les particules opposées, mais ne correspond pas à la première. La recherche d’une théorie unifiée se poursuit donc.
Date de publication: 12-24-2023
Mettre à jour la date: 12-24-2023