Relativité générale E-Book

Encyclopaedia Universalis

• Herausgeber: Encyclopaedia Universalis
• Kategorie: Bildung
• Sprache: Französisch

Seitenzahl: 59

Veröffentlichungsjahr: 2016

Beschreibung

En physique, le vocable «relativité» recouvre deux concepts très différents. Celui de relativité restreinte (qui a remplacé la relativité galiléenne) spécifie la structure cinématique de l'espace-temps. Cette structure, d'abord suggérée par l'étude de l'électromagnétisme...

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ISBN : 9782341004602

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Relativité générale

Introduction

En physique, le vocable « relativité » recouvre deux concepts très différents. Celui de relativité restreinte (qui a remplacé la relativité galiléenne) spécifie la structure cinématique de l’espace-temps. Cette structure, d’abord suggérée par l’étude de l’électromagnétisme, a fourni un cadre général pour la description de toutes les autres lois fondamentales de la nature, à l’exception de la gravitation, dont la formulation constitue le domaine de la relativité générale. Cette dernière théorie apporte une modification profonde au concept d’espace-temps, lequel cesse d’être une arène neutre, servant de simple cadre de déploiement à l’existence et à l’évolution de la matière, pour devenir une entité dynamique, influencée par et influençant la distribution d’énergie qu’il contient, et évoluant au même titre que les autres champs physiques. Cependant, la relativité générale est restée longtemps en marge du développement général de la science, car elle apparaissait comme une théorie mal confirmée et peu utile. Cette situation a changé depuis les années 1960 grâce à divers facteurs : développement de la gravitation expérimentale, découverte des quasars, des pulsars, etc., exploration théorique du régime des champs gravitationnels forts (objets condensés, trous noirs) et de celui des champs gravitationnels rapidement variables (rayonnement gravitationnel). De plus, les tentatives modernes d’unification des interactions fondamentales dans le cadre de la théorie quantique des champs ont suscité des recherches nouvelles sur les rapports entre la relativité générale, la théorie quantique et les autres forces, stimulant par là la création, ou le développement, de nouvelles théories physiques, comme la supergravité ou la théorie des cordes.

1. Principe d’équivalence

• Masse inertielle et masse gravitationnelle

Le fait expérimental fondamental qui a conduit à la relativité générale est l’égalité entre la masse inertielle et la masse gravitationnelle. Les expériences de Galilée sur la chute des corps suggéraient déjà que l’accélération due au champ de gravitation de la Terre est indépendante de la masse et de la nature des corps. Les premières expériences modernes démontrant cette égalité avec une haute précision sont celles du baron Roland von Eötvös. La précision de ce type d’expérience a été considérablement affinée par Robert H. Dicke et Vladimir B. Braginskii (qui utilisaient l’accélération due au champ de gravitation du Soleil) et, plus récemment, par Eric G. Adelberger. On sait maintenant, grâce à ces expériences extrêmement délicates, que le rapport entre la masse inertielle et la masse gravitationnelle (qui est constante pour chaque substance) est une constante universelle pour toute la matière, la précision de mesure atteinte (de l’ordre de 10—12) étant l’une des meilleures de toute la physique. Afin de comprendre la signification de ce résultat, il convient d’examiner la définition des deux types de masse dans la dynamique galiléenne de Newton. On y suppose que tout corps possède une masse inertielle spécifique mI qui mesure sa réponse à la sollicitation de n’importe quelle force extérieure. Elle est déterminée de façon purement cinématique par la loi d’action et de réaction, qui entraîne la loi de conservation de la quantité de mouvement : Relativement à un corps de référence (m0I), le rapport mI/m0I est l’inverse de celui des variations de leurs vitesses au cours d’une collision élastique mutuelle ; quant à la masse gravitationnelle mg, elle intervient dans l’expression du mouvement d’une particule soumise à une force particulière, la gravitation. Cette masse détermine l’intensité de l’attraction éprouvée par ce corps dans un champ de potentiel gravitationnel U au moyen de l’équation de Newton :

Alors que mI et mg sont des propriétés intrinsèques du corps, U est une propriété du milieu extérieur. (La description newtonienne, moins précise, du phénomène de gravitation est provisoirement utilisée ici afin d’aider à comprendre qualitativement celle de la relativité générale.)

La masse gravitationnelle est donc tout à fait analogue à la charge électrique e d’une particule, laquelle détermine la réponse d’un corps à la sollicitation d’un potentiel électrique extérieur V, d’après :

Étant donné que le rapport e/mI peut prendre des valeurs très différentes selon les corps considérés (y compris la valeur zéro), il n’y a pas a priori de raison implicite dans la gravitation de Newton de s’attendre à une valeur constante du rapport mg/mI. Les résultats de Eötvös-Dicke sont par conséquent remarquables, surtout si l’on considère que la masse inertielle d’un corps macroscopique comprend non seulement la somme des masses de ses constituants (nucléons et électrons), mais aussi, d’après E = mc2, la contribution des diverses énergies de liaison et de mouvement de ces constituants. La précision expérimentale actuellement obtenue permet de vérifier l’équivalence dans mI et mg des contributions de l’énergie de liaison nucléaire, de l’énergie cinétique des nucléons dans le noyau, de l’énergie électrostatique entre protons et de l’énergie de liaison atomique entre électrons et noyau. Par ailleurs, une analyse très précise du mouvement relatif Terre-Lune (utilisant des réflecteurs lasers laissés sur la Lune par Apollo-11, -14 et -15, et par Lunakhod-2) a permis de vérifier que même l’énergie de liaison gravitationnelle contribue de façon équivalente à mI et à mg. Il existe aussi des preuves directes de la validité de l’équivalence à l’échelle d’une particule élémentaire individuelle, le neutron. Ces résultats constituent la base du principe d’équivalence : À des quantités égales d’énergie d’origine quelconque correspondent des masses gravitationnelles identiques.

• Référentiels localement inertiels

L’universalité de l’équivalence entre masse inertielle et masse gravitationnelle a des conséquences importantes pour la notion de référentiel inertiel. La première conséquence est qu’il n’existe pas de particules « neutres » par rapport à l’interaction gravitationnelle (même la lumière, puisqu’elle est un paquet d’énergie électromagnétique, doit graviter, ce que l’expérience vérifie). Il est donc impossible, même en principe, de construire des référentiels « non accélérés », puisque tout dispositif physique sera sensible à l’accélération gravitationnelle causée par toutes les masses extérieures au système, même si elles sont très lointaines et invisibles. Une seconde conséquence vient cependant tempérer cette conclusion négative. D’après l’équation (1), l’équivalence de mI et mg signifie que tout corps (et tout paquet d’énergie) tombe, dans un champ gravitationnel, avec exactement la même accélération a