Le Livre d'Argent

La semaine est finie, c'est l'heure du #Vulgadredi, le week-end est là, voici le #VendrediVulga ! Nous avions la semaine dernière laissé la théorie de la relativité dans une position inconfortable : d'un côté, elle venait régler un conflit entre deux pans de la physique, et d'un autre, elle entrait elle-même en conflit avec un autre.

Eh bien, spoiler : on est toujours dans une situation de ce type plus d'un siècle après, mais plus sur les mêmes pans. Mais ça, on l'a déjà évoqué, donc pour l'heure, revenons en 1915 (en évitant si possible la première guerre mondiale et la grippe espagnole) et plongeons-nous, pour seize pouets, dans ce qui a été découvert à l'époque.

2/16 Précisons d'abord que, de nouveau, ce dont nous allons parler est le fruit du travail de plusieurs personnes. Si l'on retient habituellement le seul nom d'Albert Einstein, on sait néanmoins qu'il a travaillé étroitement sur ce sujet avec au moins son épouse de l'époque Mileva Marić et le mathématicien Marcel Grossmann.

La relativité générale implique en effet pas mal de maths (même si je vais éviter de trop détailler ici), discipline dans laquelle Einstein était loin d'être spécialiste. On lui prête ainsi la citation, en fait sans doute apocryphe (ou en tout cas je ne lui trouve aucune source connue), « Si vous vous plaignez d'avoir des problèmes en maths, que diriez-vous si vous aviez les miens ? »

Ce n'est d'ailleurs pas le seul truc qu'on lui attribue sans raison, et si vous n'aviez jamais rencontré le mot « apocryphe », vous avez une B.D. de @gee à aller lire : https://grisebouille.net/citations-apocryphes/

3/16 Mais d'autres personnes ont également travaillé sur la question, indépendamment ou non. Le mathématicien David Hilbert, en particulier, est connu pour avoir publié quelques travaux assez importants sur ce sujet sur la même période. De nouveau, donc, ce n'est pas tellement parce qu'on retient le nom d'Einstein qu'on ne serait pas arrivé aux mêmes connaissances sans lui.

Mais donc, entrons dans le vif du sujet. Nous avons donc vu la semaine dernière que la théorie de la relativité restreinte, celle de 1905, posait comme principe que la vitesse de la lumière était une limite indépassable, tandis que la vieille loi de la gravitation universelle de Newton posait que son effet était instantané… donc nettement trop rapide.

Pour plus de détails au sujet de la relativité restreinte… ben vous avez le thread de la semaine dernière, qui était dédié à ça si vous l'avez loupé : https://fadrienn.irlnc.org/notice/BBwpUKoVmkiRgFYoO8

4/16 Mais en fait, Newton n'avait jamais réellement défini ce qu'était au juste la gravité selon lui. Il avait formulé une loi décrivant ses effets, en tout cas dans les conditions connues jusque là, mais sans jamais apporter la moindre explication sur ce qui était censé, au juste, produire ces effets.

Une des grandes forces de la relativité générale est d'arriver de base avec une explication à ce sujet. L'idée, vous avez sans doute déjà vu passer ça, est qu'une masse énorme, celle d'une étoile par exemple, est capable de modifier l'espace autour d'elle, un peu à la façon dont poser des objets sur une toile tendue va la faire se déformer.

5/16 Mais comme nous l'avons vu la semaine dernière, l'espace et le temps sont liés : si une grande masse peut courber l'espace autour d'elle, alors elle affecte également le temps, et à grande proximité d'une masse énorme, alors on peut voir le temps ralentir environ de la même manière que quand on voyage à une vitesse proche de celle de la lumière.

En fait, les deux théories successives de la relativité nous posent qu'il existe un concept absolu : l'espace-temps, lequel se décompose en plusieurs dimensions : trois dimensions spatiales et une dimension temporelle, et ce sont ces différentes dimensions qui sont relatives.

Et vu que j'ai visiblement décidé d'embêter @gee dans ce thread, si vous voulez davantage d'infos sur cette histoires de dimensions (même si lui se concentre sur les dimensions spatiales), voyez là : https://grisebouille.net/la-quatrieme-dimension/

6/16 Il s'agit encore une fois d'une généralisation à partir du vieux principe de relativité de Galilée. Celui-ci disait en effet que, tant qu'on n'avait affaire qu'à des mouvements rectilignes uniformes, on pouvait se considérer soi-même comme immobile et envisager que c'est le reste du monde qui bougeait. En revanche, ça ne marchait pas pour les mouvements courbes ou les accélérations.

Avec la relativité générale, il devient possible de se considérer comme immobile même dans ces cas, en considérant que ce que l'on ressent de ce virage ou de cette accélération n'est qu'une manifestation de la courbure de l'espace-temps, donc un effet de la gravité. On peut donc dire que la théorie réunit les lois du mouvement et celle de la gravité, qui étaient jusque là plutôt séparées.

7/16 Et notre problème de départ, l'instantanéité des effets de la gravité, est résolu par le fait que l'espace-temps a une certaine inertie et ne se déforme pas immédiatement : cette déformation se propage en fait précisément à la vitesse à laquelle se déplacent les ondes électromagnétiques, et nous retrouvons donc bien ici cette vitesse limite qu'est la vitesse de la lumière.

Une conséquence intéressante est d'ailleurs que, si c'est l'espace-temps lui-même qui se déforme, alors la lumière elle aussi doit être affectée : pour Newton, la gravité n'influait que sur les objets dotés de masse, et la lumière pouvait cheminer en l'ignorant complètement. D'après Einstein, la lumière doit en revanche également être déviée en passant à côté d'un objet massif.

8/16 Cette différence amènera la première confirmation « expérimentale » de la théorie de la relativité, et ce dès le 29 mai 1919, où se produit une éclipse totale de Soleil passant au dessus de l'Amérique du Sud, puis de l'Afrique. Lorsque la Lune masque entièrement le Soleil, nous voyons en effet les étoiles apparaître dans le ciel.

Mais pour les étoiles qui sont situées environ derrière le Soleil à ce moment, la lumière qui nous atteint doit passer tout près de notre étoile à nous, laquelle est suffisamment massive pour déformer l'espace-temps autour d'elle : on observe lors de cette éclipse que certaines étoiles sont légèrement décalées par rapport à leur position habituelle, signe que leur lumière a bien été déviée.

9/16 Cet effet peut d'ailleurs être détecté ailleurs dans l'espace grâce à nos télescopes : la lumière qui nous atteint depuis certains objets très lointains peut parfois passer à proximité d'objets lourds plus proches, ou disons, lointains aussi mais beaucoup moins, qui dévient alors ses rayons et nous font apparaître l'objet le plus lointain comme déformé, de façon cette fois plus stable dans le temps que juste lors d'une éclipse.

C'est ce que l'on appelle une « lentille gravitationnelle », et nos télescopes modernes, comme le télescope spatial Hubble, nous ont permis d'identifier plusieurs phénomènes de ce type, comme par exemple celui qui nous servait d'image d'intro dans le premier pouet de ce thread.

Je ne détaillerai pas trop ce point ici, mais si vous voulez en apprendre davantage, Wikipédia a bien sûr une page dédiée à la question : https://fr.wikipedia.org/wiki/Lentille_gravitationnelle

10/16 Une conséquence intéressante de cette déviation de la lumière par la courbure de l'espace-temps est qu'on peut envisager un objet d'une masse tellement énorme que, passé une certaine distance, même la lumière ne serait pas assez rapide pour s'en échapper.

Ce type d'objets a été théorisé, d'après les équations d'Einstein, dès 1916, par un astrophysicien allemand appelé Karl Schwarzschild. On les appellera d'ailleurs d'abord « corps de Schwarzschild », mais comme ce nom n'était pas spécialement vendeur, ils seront plus tard renommés « trous noirs », ce qui a pas mal augmenté l'intérêt qui leur est porté.

D'ailleurs, j'avais déjà dédié un thread sur la question l'an dernier, auquel vous pouvez donc retourner jeter un œil si vous le souhaitez : https://fadrienn.irlnc.org/notice/Ay8UtAQpuelCbeADui

11/16 Pour autant, les travaux d'Einstein ne viennent pas totalement démonter ceux de Newton. En fait, les équations de Newton, celle de la gravité par exemple qu'on a déjà mentionnée dans d'autres threads (F = m₁×m₂∕d²), sont des approximations de la formule générale trouvée par Einstein (que je vous épargne ici), approximations qui sont valables dans les conditions où la courbure de l'espace temps n'a pas besoin d'être prise en compte, comme celles qu'on a à la surface de la Terre.

Comme souvent, la recherche scientifique ne progresse pas en jetant complètement les travaux réalisés précédemment, mais plutôt en les ajustant pour coller aux nouvelles découvertes, car si on les utilisait jusque là, c'est qu'elles ne marchaient quand même pas trop mal pour décrire le reste du monde.

D'ailleurs, @gee (oui, encore) avait fait une petite B.D. plutôt chouette à ce sujet, donc n'hésitez pas à aller y jeter un œil : https://grisebouille.net/en-fait-einstein-se-trompait/

12/16 Il y a cependant des cas où cette approximation ne suffit pas toujours, et parfois trouver une meilleure explication permet de régler de vieux problèmes qui trainaient encore. Typiquement, tenir compte de la courbure de l'espace-temps a permis de régler un problème vieux comme Newton : celui du déplacement de Mercure qui, trop près du Soleil, ne bougeait pas exactement comme on s'y attendait avant la relativité.

Parvenir à régler ce problème-là par ses nouvelles équations alors que ce n'était pas du tout la raison pour laquelle il avait planché sur le sujet à la base a d'ailleurs été une des raisons qui a convaincu Einstein que ses travaux partaient dans la bonne direction, comme ça arrive parfois.

Mais pour plus de détails sur l'histoire des soucis de Mercure, je vous renvoie à ma vidéo sur Pluton et la découverte progressive du système solaire, où j'abordais déjà le sujet : https://skeptikon.fr/w/9T2t6pUNCztxzXxhP4BmmB

13/16 Néanmoins, malgré ces succès, la théorie de la relativité générale dont nous venons de parler ne va pas immédiatement occuper le devant de la scène. Ou disons plutôt que le soufflé va vite retomber : durant les années 1920, le volume de nouveaux articles qui paraît sur cette question tombe d'un peu plus de 2,5% de tout ce qui s'écrit en physique à moins de 0,5%.

C'est que la recherche scientifique est elle aussi l'objet de modes (lesquelles dépendent au moins en partie des financements disponibles, mais c'est un autre problème). En l'occurrence, pendant trente à quarante ans, c'est surtout la physique quantique qui va attirer les publications et mobiliser la communauté.

Physique quantique dont on a déjà abordé quelques aspects dans un de ces threads. Je vous ai déjà mis le lien la semaine dernière, mais bon, ça ne fait pas de mal : https://fadrienn.irlnc.org/notice/B0ws7jf7pRVSNNn3xY

14/16 Il faudra en l'occurrence attendre les années 1950 pour que la physique relativiste devienne le « sujet chaud » du moment. On dit même qu'elle rencontrera son « âge d'or » entre 1960 et 1980. C'est donc une histoire pour un autre thread… enfin, je vais tâcher de voir d'ici la semaine prochaine ce que j'arrive à vous faire sur ce sujet, parce que parler de tout ce qui se passe à ce moment nécessiterait d'entrer pas mal plus dans les détails que ce que je ne le fais habituellement ici.

En attendant, et même si on avait déjà évoqué le sujet dans un ancien thread, on peut au moins revenir sur le souci dont je parlais en intro : si les deux théories successives de la relativité réglaient des incompatibilités avec des travaux préexistants… elles en causaient aussi de nouvelles. Toutes les deux.

15/16 En l'occurrence, c'est avec la physique quantique que nous avons ici un problème. En effet, pour exprimer les effets de la gravité au niveau quantique, il nous faudrait l'exprimer non pas comme une courbure de l'espace-temps (ce qui n'a pas de sens en physique quantique), mais comme un champ lié à une particule élémentaire, le « graviton ».

La gravité étant l'effet de la masse, toute interaction entre deux objets massifs devrait produire des gravitons. Mais, comme on l'a vu la semaine dernière, masse et énergie sont convertibles l'une en l'autre : une particule d'énergie comme le graviton devrait donc interagir avec elle-même, et donc créer de nouveaux gravitons, nous laissant un petit problème d'infini.

Je remets encore un lien déjà redonné la semaine dernière, mais pour un poil plus d'infos, voyez là : https://fadrienn.irlnc.org/notice/B1BJ6BmZj213zACWhs

16/16 Nous sommes donc désormais arrivés dans une situation plus ou moins symétrique à celle décrite par Lord Kelvin en 1900 : nos deux « nuages noirs » sont devenus deux ciels bleus assez magnifiques chacun de son côté… mais on voit l'orage repointer le bout de son nez chaque fois que les deux entrent en contact.

Qui sait où nous mèneront les prochains progrès scientifiques ? Mais en attendant, donc, on va en rester là pour ce thread-ci, et on tâchera d'aborder quelques compléments sur la relativité la semaine prochaine. En tout cas si ça vous plaît encore, donc merci d'avance pour les retours et partages !