Astronomie

Si le temps n'est pas absolu et dépend du champ gravitationnel, alors pourquoi continuons-nous à utiliser notre propre temps (particulier) en cosmologie ?

Si le temps n'est pas absolu et dépend du champ gravitationnel, alors pourquoi continuons-nous à utiliser notre propre temps (particulier) en cosmologie ?


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Désolé si ma question n'est pas vraiment claire, mais en effet elle ne l'est pas non plus dans mon esprit. Mais peut-être que certains d'entre vous peuvent aider. Le temps n'est pas absolu et peut être affecté par le potentiel gravitationnel. Maintenant, la question est : est-ce que des concepts comme l'âge de l'Univers, le temps entre différentes époques cosmiques, etc., dépendent de la position de l'observateur par rapport à un champ gravitationnel ? Si oui, à quel point les choses changeraient-elles si nous étions des observateurs, par exemple, à proximité d'un trou noir ou en l'absence de gravité ?


Obtenir l'horodatage UTC en Java

Une ancienne publication de Stack Overflow suggère que la façon d'obtenir l'horodatage UTC en Java est la suivante :

Malheureusement cela ne fonctionne pas pour moi. J'ai un programme très simple (reproduit ci-dessous) qui démontre un comportement différent.

Sous Windows: l'heure est l'heure locale et elle est étiquetée avec le décalage avec GMT

Sous Linux: l'heure est à nouveau l'heure locale, et elle est étiquetée correctement pour le fuseau horaire local

Question: Comment afficher l'horodatage UTC dans un programme Java ?

Mon exemple de code source est le suivant :

Sortie Windows :

Sortie Linux :


Est-il temps de se débarrasser du temps ?

Les poètes considèrent souvent le temps comme une rivière, un ruisseau à écoulement libre qui nous transporte du matin radieux de la naissance au crépuscule doré de la vieillesse. C'est l'espace qui sépare le bourgeon délicat du printemps de la fleur luxuriante de l'été.

Les physiciens pensent au temps en termes un peu plus pratiques. Pour eux, le temps est un moyen de mesurer le changement, une série infinie d'instants qui, enchaînés comme des perles, transforment un avenir incertain en présent et le présent en un passé défini. Le concept même de temps permet aux chercheurs de calculer quand une comète tournera autour du soleil ou comment un signal traverse une puce de silicium. Chaque étape dans le temps donne un aperçu de l'évolution des innombrables phénomènes de la nature.

En d'autres termes, le temps est un outil. En fait, c'était le premier outil scientifique. Le temps peut désormais être découpé en tranches aussi fines qu'un dix-billionième de seconde. Mais qu'est-ce qui est tranché ? Contrairement à la masse et à la distance, le temps ne peut pas être perçu par nos sens physiques. Nous ne voyons, n'entendons, ne sentons, ne touchons ni ne goûtons le temps. Et pourtant, nous le mesurons en quelque sorte. Alors qu'un groupe de théoriciens tentent d'étendre et d'affiner la théorie générale de la relativité, la loi capitale de la gravitation d'Einstein, ils ont un problème avec le temps. Un gros problème.

Trancher finement : Une horloge maser à hydrogène garde l'heure en exploitant la transition dite hyperfine. Wikimedia Commons

"C'est une crise", déclare le mathématicien John Baez, de l'Université de Californie à Riverside, "et la solution pourrait amener la physique dans une nouvelle direction." Pas la physique de notre monde quotidien. Les chronomètres, les pendules et les horloges maser à hydrogène continueront à suivre assez bien la nature ici dans nos environs terrestres à faible énergie. La crise survient lorsque les physiciens tentent de fusionner le macrocosme – l'univers à sa plus grande échelle – avec le microcosme des particules subatomiques.

Sous Newton, le temps était spécial. Chaque instant était compté par une horloge universelle qui se tenait à l'écart du phénomène à l'étude. En relativité générale, ce n'est plus vrai. Einstein a déclaré que le temps n'est pas absolu - aucune horloge particulière n'est spéciale - et ses équations décrivant le fonctionnement de la force gravitationnelle en tiennent compte. Sa loi de la gravité est la même, quelle que soit la pièce d'horlogerie que vous utilisez comme jauge. « En relativité générale, le temps est complètement arbitraire », explique le physicien théoricien Christopher Isham de l'Imperial College de Londres. "Les prédictions physiques réelles qui découlent de la relativité générale ne dépendent pas de votre choix d'horloge." Les prédictions seront les mêmes que vous utilisiez une horloge voyageant près de la vitesse de la lumière ou une horloge tranquillement assise à la maison sur une étagère.

Le choix de l'horloge reste cependant crucial dans d'autres domaines de la physique, notamment la mécanique quantique. Elle joue un rôle central dans la célèbre équation d'onde d'Erwin Schrödinger de 1926. L'équation montre comment une particule subatomique, qu'elle voyage seule ou qu'elle tourne autour d'un atome, peut être considérée comme une collection d'ondes, un paquet d'ondes qui se déplace d'un point à l'espace et d'instant en instant.

Selon la vision de la mécanique quantique, l'énergie et la matière sont découpées en morceaux discrets, appelés quanta, dont les mouvements sont saccadés et flous. Ils fluctuent follement. Le comportement de ces particules ne peut pas être déterminé exactement, comme le peut la trajectoire d'une fusée. En utilisant l'équation d'onde de Schrödinger, vous ne pouvez calculer que la probabilité qu'une particule - un paquet d'ondes - atteigne une certaine position ou vitesse. C'est une image si différente du monde de la physique classique que même Einstein a pesté contre son indétermination. Il déclara qu'il ne pourrait jamais croire que Dieu jouerait aux dés avec le monde.

Nous ne voyons pas, n'entendons pas, ne sentons pas, ne touchons pas ou ne goûtons pas le temps. Et pourtant, nous le mesurons en quelque sorte.

Vous pourriez dire que la mécanique quantique a introduit un flou dans la physique : vous pouvez localiser la position précise d'une particule, mais à un compromis, sa vitesse ne peut alors pas être très bien mesurée. Inversement, si vous savez à quelle vitesse va une particule, vous ne pourrez pas savoir exactement où elle se trouve. Werner Heisenberg a le mieux résumé cette situation étrange et exotique avec son célèbre principe d'incertitude. Mais toute cette action, aussi incertaine soit-elle, se déroule sur une scène fixe de l'espace et du temps, une arène immuable. Une horloge fiable est toujours là - est toujours nécessaire, vraiment - pour garder une trace de ce qui se passe et ainsi permettre aux physiciens de décrire comment le système change. Du moins, c'est ainsi que sont établies les équations de la mécanique quantique.

Et c'est le nœud du problème. Comment les physiciens peuvent-ils fusionner une loi de la physique, à savoir la gravité, qui ne nécessite aucune horloge spéciale pour arriver à ses prédictions, avec les règles subatomiques de la mécanique quantique, qui continuent de fonctionner dans un cadre temporel universel newtonien ? D'une certaine manière, chaque théorie marche au rythme d'un batteur différent (ou au tic-tac d'une horloge différente).

C'est pourquoi les choses commencent à devenir un peu folles lorsque vous essayez de mélanger ces deux domaines de la physique. Bien que l'échelle à laquelle la gravité quantique entre en jeu soit si petite que la technologie actuelle ne puisse pas mesurer directement ces effets, les physiciens peuvent les imaginer. Placez des particules quantiques sur le tapis élastique et flexible de l'espace-temps, et il se pliera et se pliera comme autant de caoutchouc. Et cette flexibilité affectera grandement le fonctionnement de toute horloge gardant la trace des particules. Une pièce d'horlogerie prise dans ce minuscule royaume submicroscopique ressemblerait probablement à une horloge à pendule travaillant au milieu des tremblements et des frissons d'un tremblement de terre. "Ici, l'arène même est soumise à des effets quantiques, et il ne reste plus rien sur quoi se tenir", explique Isham. "Vous pouvez vous retrouver dans une situation où vous n'avez aucune notion du temps." Mais les calculs quantiques dépendent d'un sens assuré du temps.

P our Karel Kucha, relativiste général et professeur émérite à l'Université de l'Utah, la clé de la mesure du temps quantique est de concevoir, à l'aide de mathématiques astucieuses, une horloge appropriée, ce qu'il tente, par intermittence, depuis plusieurs décennies. Conservateur de nature, Kucha pense qu'il est préférable de s'en tenir à ce que vous savez avant de passer à des solutions plus radicales. Il a donc cherché ce qu'on pourrait appeler la version submicroscopique d'une horloge newtonienne, un garde-temps quantique qui peut être utilisé pour décrire la physique qui se passe dans le royaume extraordinaire régi par la gravité quantique, comme les entrailles d'un trou noir ou le premier instant de création.

Contrairement aux horloges utilisées dans la physique de tous les jours, l'horloge hypothétique de Kucha ne se tiendrait pas dans un coin, insensible à ce qui se passe autour d'elle. Il serait situé dans le système minuscule et dense où règne la gravité quantique et en ferait partie intégrante. Ce statut d'initié a ses pièges : l'horloge changerait au fur et à mesure que le système changeait, donc pour garder une trace du temps, vous devrez trouver comment surveiller ces variations. D'une certaine manière, ce serait comme devoir ouvrir votre montre-bracelet et vérifier son fonctionnement à chaque fois que vous vouliez vous y référer.

Les candidats les plus courants pour ce type spécial d'horloge sont simplement des « horloges de matière ». « C’est bien sûr le type d’horloge auquel nous sommes habitués depuis des temps immémoriaux. Toutes les horloges que nous avons autour de nous sont constituées de matière », souligne Kucha. Le chronométrage conventionnel, après tout, signifie choisir un support matériel, tel qu'un ensemble de particules ou un fluide, et marquer ses changements. Mais avec un stylo et du papier, Kucha emmène mathématiquement les horloges de matière dans le domaine de la gravité quantique, où le champ gravitationnel est extrêmement fort et où ces effets probabilistes de mécanique quantique commencent à se produire. Il prend le temps là où aucune horloge n'est allée auparavant.

La montée de l'incertain

Laissez-moi vous raconter une histoire courte et fictive sur un conquistador espagnol bien réel, Francisco de Orellana. En 1546, il fut capturé et emprisonné dans une petite cellule humide. Peu de temps après, il a été convoqué et un juge l'a condamné à. LIRE LA SUITE

Mais à mesure que vous vous aventurez dans ce domaine, dit Kucha, "la matière devient de plus en plus dense". Et c'est le talon d'Achille pour toute forme de matière choisie pour être une horloge dans ces conditions extrêmes, elle finit par être écrasée. Cela peut sembler évident dès le départ, mais Kucha doit examiner précisément comment l'horloge se décompose afin de mieux comprendre le processus et de concevoir de nouvelles stratégies mathématiques pour construire son horloge idéale.

La géométrie de l'espace elle-même est plus prometteuse en tant qu'horloge quantique : surveiller la courbure changeante de l'espace-temps à mesure que l'univers infantile s'étend ou qu'un trou noir se forme. Kucha suppose qu'une telle propriété pourrait encore être mesurable dans les conditions extrêmes de la gravité quantique. Le cosmos en expansion offre l'exemple le plus simple de ce schéma. Imaginez le petit univers infantile comme un ballon gonflant. Initialement, sa surface se courbe fortement. Mais à mesure que le ballon explose, la courbure de sa surface devient de moins en moins profonde. « La géométrie changeante », explique Kucha, « vous permet de voir que vous êtes à un moment donné plutôt qu'à un autre. » En d'autres termes, il peut fonctionner comme une horloge.

Malheureusement, chaque type d'horloge que Kucha a étudié jusqu'à présent conduit à une description quantique différente, à des prédictions différentes du comportement du système. "Vous pouvez formuler votre mécanique quantique par rapport à une horloge que vous placez dans l'espace-temps et obtenir une réponse", explique Kucha.

« Mais si vous choisissez un autre type d'horloge, peut-être une horloge basée sur un champ électrique, vous obtenez un résultat complètement différent. Il est difficile de dire laquelle de ces descriptions, le cas échéant, est correcte.

Ce serait comme si vous deviez ouvrir votre montre-bracelet et vérifier son fonctionnement à chaque fois que vous vouliez vous y référer.

Plus que cela, l'horloge qui est choisie ne doit pas finir par s'effondrer. La théorie quantique suggère qu'il y a une limite à la finesse de découpe de l'espace. Le plus petit grain quantique de l'espace imaginable a une largeur de 10 à 33 centimètres, la longueur de Planck, du nom de Max Planck, inventeur du quantum. À cette échelle infinitésimale, la toile de l'espace-temps devient saccadée et brouillée, comme les chapeaux blancs sur une mer en colère. L'espace et le temps se décollent et commencent à clignoter dans et hors de l'existence dans une mousse probabiliste. Le temps et l'espace, tels que nous les connaissons, ne sont plus faciles à définir. C'est à ce moment-là que la physique devient inconnue et que les théoriciens commencent à marcher sur un terrain instable. Comme le fait remarquer le physicien Paul Davies dans son livre À propos du temps, « Vous devez imaginer toutes les géométries possibles – tous les espaces-temps possibles, les déformations spatiales et les déformations temporelles – mélangées ensemble dans une sorte de cocktail, ou « mousse ». »

Seule une théorie entièrement développée de la gravité quantique montrera ce qui se passe réellement à ce niveau d'espace-temps incroyablement petit. Kucha conjecture qu'une certaine propriété de la relativité générale (encore inconnue) ne subira pas de fluctuations quantiques à ce stade. Quelque chose pourrait tenir et ne pas se décoller. Si cela est vrai, une telle propriété pourrait servir d'horloge fiable que Kucha recherche depuis si longtemps. Et avec cet espoir, Kucha continue d'explorer, une par une, les possibilités variées.

Kucha a essayé de modeler la relativité générale dans le style de la mécanique quantique, de lui trouver une horloge spéciale. Mais d'autres physiciens essayant de comprendre la gravité quantique pensent que la révision devrait se produire dans l'autre sens, que la gravité quantique devrait être transformée à l'image de la relativité générale, où le temps est repoussé à l'arrière-plan. Carlo Rovelli est un champion de ce point de vue.

Oubliez le temps », déclare Rovelli avec insistance. « Le temps est simplement un fait expérimental. » Rovelli, physicien au Centre de physique théorique en France, a travaillé sur une approche de la gravité quantique qui est essentiellement intemporelle. Pour simplifier les calculs, lui et ses collaborateurs, les physiciens Abhay Ashtekar et Lee Smolin, ont mis en place un espace théorique sans horloge. De cette façon, ils ont pu réécrire la théorie de la relativité générale d'Einstein, en utilisant un nouvel ensemble de variables afin qu'il puisse être plus facilement interprété et adapté pour une utilisation au niveau quantique.

Leur formulation a permis aux physiciens d'explorer d'une nouvelle manière le comportement de la gravité à l'échelle subatomique. Mais est-ce vraiment possible sans aucune référence au temps ? "D'abord avec la relativité restreinte puis avec la relativité générale, notre notion classique du temps n'a fait que s'affaiblir", répond Rovelli. « Nous pensons en termes de temps. Nous en avons besoin. Mais le fait que nous ayons besoin de temps pour mener à bien notre réflexion ne signifie pas que c'est la réalité.

Une autre vision du temps : Certains physiciens pensent que le temps est une propriété émergente de nombreuses particules, comme la température ou la pression. Toa55 / Shutterstock

Rovelli pense que si les physiciens trouvent un jour une loi unifiée qui relie toutes les forces de la nature sous une même bannière, elle sera écrite sans aucune référence au temps. « Ensuite, dans certaines situations », explique Rovelli, « comme lorsque le champ gravitationnel n'est pas dramatiquement fort, la réalité s'organise pour que nous percevions un flux que nous appelons le temps ».

Se débarrasser du temps dans les lois physiques les plus fondamentales, dit Rovelli, nécessitera probablement un grand saut conceptuel, le même genre d'ajustement que les scientifiques du XVIe siècle ont dû faire lorsque Copernic a placé le soleil, et non la Terre, au centre de l'univers. Ce faisant, le religieux polonais a effectivement mis la Terre en mouvement, même si à l'époque il était difficile d'imaginer comment la Terre pourrait zoomer en orbite autour du soleil sans que ses occupants ne soient projetés de la surface. « Dans les années 1500, les gens pensaient qu'une terre en mouvement était impossible », note Rovelli.

Mais peut-être que les vraies règles sont intemporelles, y compris celles appliquées au monde subatomique. En effet, un mouvement est en cours pour réécrire les lois de la mécanique quantique, une rénovation qui a été stimulée en partie par le problème du temps, parmi d'autres énigmes quantiques. Dans le cadre de ce programme, les théoriciens ont reformulé les équations les plus élémentaires de la mécanique quantique pour supprimer toute référence directe au temps.

A la plus petite des échelles, le temps n'aurait aucun sens, de même qu'un tableau pointilliste, construit à partir de touches de peinture, ne peut être sondé de près.

Les racines de cette approche remontent à une procédure introduite par le physicien Richard Feynman dans les années 1940, une méthode qui a été étendue et élargie par d'autres, dont James Hartle de l'Université de Californie à Santa Barbara et le lauréat du prix Nobel de physique Murray Gell. Mann.

Fondamentalement, c'est une nouvelle façon de regarder l'équation de Schrödinger. Telle qu'elle a été établie à l'origine, cette équation permet aux physiciens de calculer la probabilité qu'une particule se déplace directement d'un point A à un point B sur des tranches de temps spécifiées. L'approche alternative introduite par Feynman considère plutôt le nombre infini de chemins que la particule pourrait éventuellement emprunter pour se rendre de A à B, quelle que soit la minceur des chances. Le temps est supprimé en tant que facteur, seules les voies potentielles sont significatives. En résumant ces potentiels (certains chemins sont plus probables que d'autres, selon les conditions initiales), un chemin spécifique émerge à la fin.

Le processus est parfois comparé à une interférence entre les ondes. Lorsque deux vagues dans l'océan se combinent, elles peuvent se renforcer l'une l'autre (conduisant à une nouvelle vague plus grosse) ou s'annuler complètement. De même, vous pourriez penser que ces nombreux chemins potentiels interagissent les uns avec les autres - certains sont améliorés, d'autres détruits - pour produire le chemin final. Plus important, la variable du temps n'entre plus dans les calculs.

Hartle a adapté cette technique à ses recherches en cosmologie quantique, une entreprise dans laquelle les lois de la mécanique quantique sont appliquées au jeune univers pour discerner son évolution. Au lieu de traiter des particules individuelles, cependant, il travaille avec toutes les configurations qui pourraient éventuellement décrire un cosmos en évolution, un éventail infini d'univers potentiels. Lorsqu'il résume ces configurations variées, certaines se renforçant mutuellement, d'autres s'annulant, un espace-temps particulier émerge finalement. De cette façon, Hartle espère obtenir des indices sur le comportement de l'univers à l'ère de la gravité quantique. Idéalement, il n'a pas à choisir une horloge spéciale pour effectuer la physique : le temps disparaît en tant que variable essentielle.

Bien sûr, comme le souligne Isham, « après s'être débarrassé du temps, nous sommes alors obligés d'expliquer comment nous revenons au monde ordinaire, où le temps nous entoure ». Les théoriciens de la gravité quantique ont leurs intuitions. Comme Rovelli, beaucoup en viennent à soupçonner que le temps n'est pas du tout fondamental. Ce thème résonne encore et encore dans les diverses approches visant à résoudre le problème du temps. Le temps, disent-ils, peut ressembler davantage à une propriété physique telle que la température ou la pression. La pression n'a aucun sens lorsque vous parlez d'une particule ou d'un atome, le concept de pression n'apparaît que lorsque nous considérons des milliards de milliards d'atomes. La notion de temps pourrait très bien partager ce trait statistique. Si tel était le cas, la réalité ressemblerait alors à une peinture pointilliste. A la plus petite des échelles — la longueur de Planck — le temps n'aurait aucun sens, de même qu'un tableau pointilliste, construit à partir de touches de peinture, ne peut être sondé de près.

Les théoriciens de la gravité quantique aiment se comparer aux archéologues.Chaque enquêteur creuse sur un site différent, trouvant un artefact séparé d'une vaste ville souterraine. L'étendue complète de la découverte n'est pas encore réalisée. Ce dont les théoriciens ont désespérément besoin, ce sont des données, des preuves expérimentales qui pourraient les aider à trancher entre les différentes approches.

Cela semble une tâche impossible, une tâche qui semblerait nécessiter de recréer les conditions infernales du Big Bang. Mais pas nécessairement. Par exemple, les futures générations de « télescopes à ondes de gravité », des instruments qui détectent les ondulations dans le tapis caoutchouteux de l’espace-temps, pourraient un jour détecter le tonnerre réverbérant du Big Bang, reliques de l’instant de création lorsque la force de gravité a émergé pour la première fois. De telles ondes pourraient fournir des indices vitaux sur la nature de l'espace et du temps.

"Nous n'aurions pas cru il y a seulement [decades] qu'il serait possible de dire ce qui s'est passé dans les 10 premières minutes du Big Bang", souligne Kucha. «Mais nous pouvons maintenant le faire en examinant l'abondance des éléments. Peut-être que si nous comprenons assez bien la physique à l'échelle de Planck, nous serons en mesure de rechercher certaines conséquences - des restes - qui sont observables aujourd'hui. " Si elles étaient trouvées, de telles preuves nous rapprocheraient le plus possible de nos origines et nous permettraient peut-être enfin de percevoir comment l'espace et le temps sont sortis du néant il y a environ 14 milliards d'années.

Marcia Bartusiak est auteur, journaliste et professeur du programme d'études supérieures en rédaction scientifique au Massachusetts Institute of Technology. Elle écrit sur l'astronomie et la physique.

Extrait de Dépêches de Planet 3: Trente-deux (brefs) récits sur le système solaire, la Voie lactée et au-delà par Marcia Bartusiak, nouvelle de Yale University Press. Copyright © 2018 par Marcia Bartusiak.


Définitionur

Europäisches Forschungszentrum für Kern- und Teilchenphysik (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire), angesiedelt nahe Genf beidseits der französisch-schweizerischen Grenze, gegründet 1954.

CERN ist nicht nur für seine Teilchenbeschleuniger wie den Large Hadron Collider (LHC) bekannt, sondern auch als Geburtsort des World Wide Web.

temps C'est un fait de la vie que tous les événements de notre univers ne se produisent pas simultanément - au lieu de cela, il y a un certain ordre. Définir une coordonnée temporelle ou définir le temps, comme le font les physiciens, consiste à définir une prescription pour associer à chaque événement un nombre afin de refléter cet ordre - si l'événement B se produit après l'événement A, alors le nombre associé à B devrait être plus grand que celle associée à A. La première étape de cette définition est de construire une horloge : Choisissez un processus simple qui se répète régulièrement. (Qu'est-ce qui est « régulier » ? Heureusement, dans notre univers, tous les processus élémentaires comme un pendule oscillant, les oscillations d'atomes ou de circuits électroniques conduisent à la même notion de régularité.) Dans un deuxième temps, installez un compteur : Un mécanisme qui, à chaque répétition du processus choisi, augmente le compte d'un. Avec cette définition, on peut au moins attribuer une heure (la valeur numérique du compteur) aux événements se produisant à l'emplacement de l'horloge. Pour les événements à différents endroits, une définition supplémentaire est nécessaire : il faut définir la simultanéité. Après tout, affirmer qu'un événement lointain A se produit à 12 heures revient à dire que l'événement A et « notre compteur d'horloge indique 12:00:00 » sont simultanés. Le comment et le pourquoi de la définition de la simultanéité - une pièce maîtresse de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein - sont décrits dans le sujet phare Définir "maintenant". Avec toutes ces préparations, les physiciens peuvent, en principe, attribuer une valeur de coordonnée temporelle ("un temps") à tous les événements possibles et décrire à quelle vitesse ou à quelle vitesse les processus se produisent, par rapport à cette coordonnée temporelle. dilatation du temps En relativité restreinte : Du point de vue d'un observateur (plus précisément : un observateur inertiel), une horloge en mouvement va plus lentement qu'une horloge au repos de construction identique. Tous les autres processus évoluant parallèlement à l'horloge (par exemple : tout ce qui se passe à bord d'une fusée passant à toute vitesse) sont ralentis de manière identique. La dilatation du temps peut être mutuelle : lorsque deux observateurs inertiels se dépassent, chacun constatera que les horloges de l'autre ralentissent. la route. En relativité générale, il y a le phénomène de dilatation gravitationnelle du temps: En gros, les horloges situées à proximité d'une masse ou d'une autre source de gravité fonctionnent plus lentement que les horloges plus éloignées. Ce phénomène est étroitement lié au redshift gravitationnel. synchrotron

Un accélérateur de particules, dans lequel les particules sont accélérées à l'aide de champs électriques, tandis que des champs magnétiques puissants les maintiennent sur la bonne voie (le fait que des champs magnétiques de plus en plus puissants soient nécessaires à mesure que l'accélération progresse est une conséquence du fait que la masse relativiste augmente avec la vitesse .)

stationnaire En gros, en relativité, une situation ou un espace-temps est stationnaire s'il n'y a pas de changement dans le temps. Pour être plus précis, il faut tenir compte du fait que, en relativité générale, le temps peut être défini de nombreuses manières différentes, toutes également valables pour formuler les lois de la physique. Cela conduit à une définition modifiée : une situation ou un espace-temps est stationnaire s'il est possible de définir le temps de manière à ce qu'il n'y ait pas de changement de ses propriétés dans le temps - si vous suivez les propriétés d'une région donnée de l'espace dans le temps, ils ne changeront pas. vitesse La vitesse moyenne d'un objet est la distance qu'il parcourt pendant une période de temps donnée, divisée par la longueur de l'intervalle de temps. Si vous rendez l'intervalle de temps infiniment petit, le résultat est la vitesse de l'objet à un moment particulier dans le temps. La notion de vitesse peut être appliquée aux vagues de différentes manières par exemple, pour une vague simple, la vitesse de phase est la vitesse à laquelle une crête ou une vague donnée se propage dans l'espace. Voir aussi la vitesse d'entrée plus générale. relativité restreinte Théorie d'Albert Einstein sur les principes fondamentaux de l'espace, du temps et du mouvement (mais pas de la gravité). Pour une brève introduction, consultez le chapitre Relativité restreinte d'Einstein élémentaire. Certains aspects de la relativité restreinte sont décrits dans la catégorie Relativité restreinte de nos Pleins feux sur la relativité. l'espace Au sens strict : L'espace tel que nous le connaissons de la vie quotidienne : la totalité de tous les emplacements dans lesquels les objets peuvent s'asseoir, en trois dimensions. Dans un sens plus général utilisé par les mathématiciens, toutes sortes d'ensembles de points sont des espaces - une ligne par exemple, qui n'a qu'une seule dimension, ou une surface à deux dimensions, mais aussi des espaces de dimension supérieure. De plus, dans ces espaces plus généraux, la géométrie peut être différente de la géométrie euclidienne standard enseignée dans les lycées - de tels espaces peuvent être courbes. relativiste Les modèles, effets ou phénomènes dans lesquels la relativité restreinte ou la relativité générale jouent un rôle crucial sont appelés relativistes. Les exemples sont les théories des champs quantiques relativistes en tant que théories basées sur la relativité restreinte, ou le décalage du périhélie relativiste en conséquence de la relativité générale. De plus, les conditions dans lesquelles la différence entre la physique relativiste et la physique classique ordinaire est particulièrement prononcée sont également appelées relativistes. Par exemple, lorsque les objets matériels atteignent des vitesses proches de la vitesse de la lumière, on parle de vitesses relativistes, tandis que les vitesses qui sont si petites par rapport à la lumière qu'elles rendent les effets relativistes indétectables sont non relativistes. proton Particule portant une charge électrique positive et relativement massive, les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons. Les protons ne sont pas des particules élémentaires, ce sont des particules composées constituées de quarks liés entre eux par l'interaction nucléaire forte. Collectivement, les protons, les neutrons et un certain nombre de particules similaires sont appelés baryons. point "bloc de construction" élémentaire d'entités géométriques telles que des surfaces ou des espaces plus généraux. Par exemple, une surface est l'ensemble de tous ses points, de tous les emplacements possibles sur la surface, et tous les objets géométriques de cette surface sont définis par les points qui leur appartiennent - par exemple, une ligne sur la surface est l'ensemble des (infiniment nombreux) points. relativiste (avance au périhélie, relativiste) Pour les orbites planétaires, il y a une petite différence entre les prédictions de la gravité newtonienne et de la relativité générale. Par exemple, dans la théorie de Newton, la courbe orbitale d'une planète solitaire en orbite autour d'une étoile est une ellipse. En relativité générale, c'est une sorte de courbe rose ou rhodonée. Une telle courbe est similaire à une courbe en ellipse, qui se décale un peu à chaque orbite supplémentaire. Le décalage peut être défini en regardant le point le plus proche du soleil (périhélie) sur chaque orbite. Le décalage relativiste supplémentaire est donc appelé décalage de périhélie relativiste ou avance de périhélie relativiste. Une image peut être vue sur la page Une planète s'égare dans le chapitre Relativité générale de l'élémentaire d'Einstein. accélérateur de particules La technique expérimentale la plus importante de la physique des particules : accélérer des particules chargées électriquement à l'aide de forces électriques, les faire entrer en collision les unes avec les autres et, à partir du résultat de la collision, tirer des conclusions sur les propriétés des particules élémentaires et leurs interactions. C'est une possibilité intrigante, suggérée par des modèles basés sur les idées de la théorie des cordes, que les accélérateurs de particules tels que le LHC puissent en fait produire des trous noirs miniatures (pour plus d'informations à ce sujet, voir le texte consacré aux accélérateurs de particules en tant qu'usines de trous noirs ?). observateur Dans le contexte de la relativité, « observateur » peut signifier deux choses différentes. Souvent, observateur est synonyme de référentiel ou de système de coordonnées (espace-temps) : un observateur dans ce sens est quelqu'un qui attribue des coordonnées à tout ce qui se passe autour de lui. En particulier, tous les événements se voient attribuer des valeurs de coordonnées spatiales et une valeur de coordonnées temporelles. Dans le contexte de la relativité restreinte, il arrive souvent que lorsqu'on parle d'observateur, on entend en réalité un observateur inertiel, correspondant à un type particulier de référentiel. À d'autres occasions, le terme est utilisé dans un sens plus étroit - dans ces cas, un observateur est une personne assise à un certain point dans l'espace et utilisant les signaux lumineux atteignant cet endroit pour construire une image de son environnement. Dans le contexte des effets optiques en relativité, par exemple la lentille gravitationnelle, observateur est généralement signifié de cette manière. contraction de la longueur

Effet de la théorie de la relativité restreinte : Un observateur (plus précisément : un observateur inertiel) mesure une longueur plus courte pour un objet en mouvement que pour une copie identique de cet objet reposant à côté de lui (ici, la longueur fait référence à l'extension dans la direction du mouvement - l'extension dans les directions orthogonales restent les mêmes).


C'est pourquoi la vitesse de la gravité doit être égale à la vitesse de la lumière

Si le Soleil cessait spontanément d'émettre de la lumière, nous ne le saurions pas avant environ 8 minutes et 20 secondes. La lumière qui arrive ici sur Terre, en ce moment même, a été émise par la photosphère du Soleil un laps de temps fini dans le passé, et n'est visible maintenant qu'après un voyage à travers les 150 millions de km (93 millions de miles) séparant le Soleil de la Terre. Si le Soleil s'obscurcissait en ce moment, nous ne le découvririons pas avant que la lumière ne cesse d'arriver.

Mais qu'en est-il de la gravitation ? Si le Soleil était spontanément (d'une manière ou d'une autre) retiré de l'existence, combien de temps la Terre resterait-elle sur son orbite elliptique avant de s'envoler en ligne droite ? Croyez-le ou non, la réponse à cette question doit être exactement le même temps que pour la lumière : 8 minutes et 20 secondes. La vitesse de la gravité n'est pas seulement égale à la vitesse de la lumière à un degré incroyablement précis d'un point de vue observationnel, mais ces deux constantes doivent être exactement égales théoriquement, sinon la Relativité Générale s'effondrerait. Voici la science derrière pourquoi.

Avant l'avènement de la Relativité Générale, notre théorie de la gravitation la plus réussie était la loi universelle de la gravitation de Newton. Selon Newton, la force gravitationnelle entre deux objets quelconques dans l'espace définie par seulement quatre paramètres :

  1. La constante gravitationnelle de l'Univers, g, ce qui est le même pour tout le monde.
  2. La masse du premier objet, m, qui subit la force gravitationnelle. (Par le principe d'équivalence d'Einstein, c'est le même m qui entre dans les lois du mouvement, comme F= mune.)
  3. La masse du deuxième objet, M, qui attire le premier objet.
  4. La distance entre eux, r, qui s'étend du centre de masse du premier objet au centre de masse du second.

Gardez à l'esprit que ce sont les quatre seuls paramètres admissibles en gravitation newtonienne. Vous pouvez effectuer toutes sortes de calculs à partir de cette loi de force pour dériver, par exemple, des orbites planétaires elliptiques autour du Soleil. Mais les équations ne fonctionnent que si la force gravitationnelle est instantanée.

Cela pourrait vous intriguer un peu. Après tout, si la vitesse de la gravité n'est égale qu'à la vitesse de la lumière, plutôt qu'à une force infiniment rapide, alors la Terre devrait être attirée là où se trouvait le Soleil il y a 8 minutes et 20 secondes, pas là où se trouve le Soleil en ce moment, à cet instant précis. Mais si vous faites ce calcul à la place et que vous permettez à la Terre d'être attirée par la position passée du Soleil plutôt que par sa position actuelle, vous obtenez une prédiction de son orbite qui est tellement fausse que Newton lui-même, avec des observations de qualité remontant à moins de 100 ans (à l'époque de Tycho Brahe), aurait pu l'exclure.

En fait, si vous utilisiez les lois de Newton pour calculer les orbites des planètes et exigeiez qu'elles correspondent aux observations modernes, non seulement la vitesse de la gravité devrait être plus rapide que la vitesse de la lumière, mais elle devrait être d'au moins 20 milliards fois plus rapide : indiscernable d'une vitesse infinie.

Le problème est le suivant : si vous avez une force centrale, où une particule liée comme (par exemple) la Terre est attirée par le Soleil mais se déplace autour du Soleil (en orbite ou en se propageant) à une vitesse finie, vous n'obtiendrez qu'un effet purement orbite elliptique si la vitesse de propagation de cette force est infinie. Si c'est fini, alors vous n'obtenez pas seulement une accélération radiale (vers l'autre masse), mais vous obtenez également un composant qui accélère votre particule tangentiellement.

Cela rendrait les orbites non seulement elliptiques, mais instables. À l'échelle d'un siècle à peine, les orbites se déplaceraient considérablement. En 1805, Laplace avait utilisé les observations de la Lune pour démontrer que la vitesse de la gravité newtonienne devait être 7 millions de fois supérieure à la vitesse de la lumière. Les contraintes modernes sont maintenant 20 milliards de fois la vitesse de la lumière, ce qui est excellent pour Newton. Mais tout cela a placé un grand fardeau sur Einstein.

Selon Einstein, il y a un gros problème, conceptuellement, avec la loi de la force gravitationnelle de Newton : la distance entre deux objets n'est pas une quantité absolue, mais dépend plutôt du mouvement de l'observateur. Si vous vous rapprochez ou vous éloignez d'une ligne imaginaire que vous tracez, les distances dans cette direction se contracteront, en fonction de vos vitesses relatives. Pour que la force gravitationnelle soit une quantité calculable, tous les observateurs devraient obtenir des résultats cohérents, ce que vous ne pouvez pas obtenir en combinant la relativité avec la loi de la force gravitationnelle de Newton.

Par conséquent, selon Einstein, vous deviez développer une théorie qui réunissait la gravitation et les mouvements relativistes, et cela signifiait développer la relativité générale : une théorie relativiste du mouvement qui y incorporait la gravité. Une fois terminé, la Relativité Générale a raconté une histoire radicalement différente.

Afin d'amener différents observateurs à se mettre d'accord sur le fonctionnement de la gravitation, il ne peut y avoir d'espace absolu, de temps absolu ou de signal qui se propage à une vitesse infinie. Au lieu de cela, l'espace et le temps doivent tous deux être relatifs pour différents observateurs, et les signaux ne peuvent se propager qu'à des vitesses exactement égales à la vitesse de la lumière (si la particule en propagation est sans masse) ou à des vitesses inférieures à la vitesse de la lumière (si la particule a Masse).

Pour que cela fonctionne, cependant, il doit y avoir un effet supplémentaire pour annuler le problème d'une accélération tangentielle non nulle, qui est induite par une vitesse de gravité finie. Ce phénomène, connu sous le nom d'aberration gravitationnelle, est presque exactement annulé par le fait que la Relativité Générale a également des interactions dépendantes de la vitesse. Lorsque la Terre se déplace dans l'espace, par exemple, elle sent la force du Soleil changer lorsqu'elle change de position, de la même manière qu'un bateau voyageant dans l'océan descendra dans une position différente lorsqu'il sera soulevé et abaissé à nouveau par un vague qui passe.

Ce qui est remarquable, et nullement évident, c'est que ces deux effets s'annulent presque exactement. Le fait que la vitesse de la gravité soit finie est ce qui induit cette aberration gravitationnelle, mais le fait que la Relativité Générale (contrairement à la gravité newtonienne) ait des interactions dépendantes de la vitesse est ce qui a permis à la gravité newtonienne d'être une si bonne approximation. Il n'y a qu'une seule vitesse qui fonctionne pour que cette annulation soit bonne : si la vitesse de la gravité est égale à la vitesse de la lumière.

C'est donc la motivation théorique pour laquelle la vitesse de la gravité devrait être égale à la vitesse de la lumière. Si vous voulez que les orbites planétaires soient cohérentes avec ce que nous avons vu et pour tous les observateurs, vous avez besoin d'une vitesse de gravité égale à c, et pour que votre théorie soit relativiste invariante. Il y a cependant une autre mise en garde. En relativité générale, l'annulation entre l'aberration gravitationnelle et le terme dépendant de la vitesse est presque exacte, mais pas tout à fait. Seul le bon système peut révéler la différence entre les prédictions d'Einstein et de Newton.

Dans notre propre voisinage, la force de gravité du Soleil est beaucoup trop faible pour produire un effet mesurable. Ce que vous voudriez, c'est un système qui aurait de grands champs gravitationnels à de petites distances d'une source massive, où la vitesse de l'objet en mouvement est à la fois rapide et changeant (accélérant) rapidement, dans un champ gravitationnel avec un grand gradient.

Notre Soleil ne nous le donne pas, mais l'environnement autour d'un trou noir binaire ou d'une étoile à neutrons binaire le fait ! Idéalement, un système avec un objet massif se déplaçant avec une vitesse changeante à travers un champ gravitationnel changeant présentera cet effet. Et un système d'étoiles à neutrons binaires, où l'une des étoiles à neutrons est un pulsar très précis, fait parfaitement l'affaire.

Un pulsar, et en particulier un pulsar milliseconde, est la meilleure horloge naturelle de l'Univers. Lorsque l'étoile à neutrons tourne, elle émet un jet de rayonnement électromagnétique qui a une chance d'être aligné avec la perspective de la Terre une fois par rotation de 360 ​​degrés.Si l'alignement est correct, nous observerons ces impulsions arriver avec une exactitude et une précision extraordinairement prévisibles.

Si le pulsar est dans un système binaire, cependant, le déplacement à travers ce champ gravitationnel changeant provoquera l'émission d'ondes gravitationnelles, qui éloignent l'énergie du système gravitationnel. La perte de cette énergie doit venir de quelque part et est compensée par la décroissance des orbites du pulsar. Les prédictions de la désintégration du pulsar sont très sensibles à la vitesse de la gravité en utilisant même le tout premier système de pulsar binaire jamais découvert par lui-même, PSR 1913+16 (ou le binaire Hulse-Taylor), nous a permis de contraindre la vitesse de la gravité à être égale à la vitesse de la lumière à 0,2% près !

Depuis cette époque, d'autres mesures ont également démontré l'équivalence entre la vitesse de la lumière et la vitesse de la gravité. En 2002, une coïncidence fortuite a provoqué l'alignement de la Terre, de Jupiter et d'un quasar radio très puissant (connu sous le nom de QSO J0842+1835). Lorsque Jupiter est passé entre la Terre et le quasar, ses effets gravitationnels ont fait plier la lumière des étoiles d'une manière qui dépendait de la vitesse de gravité.

Jupiter a, en fait, courbé la lumière du quasar, ce qui nous a permis d'exclure une vitesse infinie pour la vitesse de la gravité et de déterminer qu'elle se situait en fait entre 255 millions et 381 millions de mètres par seconde, ce qui correspond à la valeur exacte de la vitesse de la lumière (299 792 458 m/s) et aussi avec les prédictions d'Einstein. Plus récemment encore, les premières observations d'ondes gravitationnelles nous ont apporté des contraintes encore plus fortes.

Dès la toute première onde gravitationnelle détectée et la différence de leurs temps d'arrivée à Hanford, WA et Livingston, LA, nous avons directement appris que la vitesse de la gravité était égale à la vitesse de la lumière à environ 70%, ce qui n'est pas une amélioration par rapport à la contraintes temporelles du pulsar. Mais lorsque 2017 a vu l'arrivée à la fois des ondes gravitationnelles et de la lumière d'une fusion étoile à neutrons-étoile à neutrons, le fait que les signaux de rayons gamma soient arrivés seulement 1,7 seconde après le signal des ondes gravitationnelles, à travers un voyage de plus de 100 millions d'années-lumière, nous a appris que la vitesse de la lumière et la vitesse de la gravité ne diffèrent pas de plus de 1 partie dans un quadrillion : 10¹⁵.

Tant que les ondes gravitationnelles et les photons n'ont pas de masse au repos, les lois de la physique dictent qu'ils doivent se déplacer exactement à la même vitesse : la vitesse de la lumière, qui doit être égale à la vitesse de la gravité. Même avant que les contraintes ne deviennent aussi spectaculaires, exiger qu'une théorie gravitationnelle reproduise les orbites newtoniennes tout en étant en même temps relativiste invariante conduit à cette conclusion inévitable. La vitesse de la gravité est exactement la vitesse de la lumière, et la physique n'aurait pas permis qu'il en soit autrement.


35 dilatation du temps

L'analyse de la simultanéité montre que les postulats d'Einstein impliquent un effet important : les intervalles de temps ont des valeurs différentes lorsqu'ils sont mesurés dans différents référentiels inertiels. Supposons, par exemple, qu'un astronaute mesure le temps qu'il faut à une impulsion lumineuse pour parcourir une distance perpendiculaire à la direction du mouvement de son vaisseau (par rapport à un observateur terrestre), rebondir sur un miroir et revenir ((Figure)). Comment le temps écoulé que l'astronaute mesure dans le vaisseau spatial se compare-t-il au temps écoulé qu'un observateur terrestre mesure en observant ce qui se passe dans le vaisseau spatial ?

L'examen de cette question conduit à un résultat profond. Le temps écoulé pour un processus dépend de l'observateur qui le mesure. Dans ce cas, le temps mesuré par l'astronaute (à l'intérieur du vaisseau spatial où l'astronaute est au repos) est plus petit que le temps mesuré par l'observateur terrestre (vers lequel l'astronaute se déplace). Le temps écoulé pour le même processus est différent pour les observateurs, car la distance parcourue par l'impulsion lumineuse dans le cadre de l'astronaute est plus petite que dans le cadre terrestre, comme le montre la (Figure). La lumière voyage à la même vitesse dans chaque cadre, il faut donc plus de temps pour parcourir la plus grande distance dans le cadre terrestre.

(a) Un astronaute mesure le temps pour la lumière à parcourir la distance 2 dans le cadre de l'astronaute. (b) Un scientifique de la NASA sur Terre voit la lumière suivre le chemin le plus long 2s et prend plus de temps (c) Ces triangles sont utilisés pour trouver la relation entre les deux distances et s.

La dilatation du temps est l'allongement de l'intervalle de temps entre deux événements pour un observateur dans un repère inertiel qui se déplace par rapport au repère de repos des événements (dans lequel les événements se produisent au même endroit).

Pour comparer quantitativement les mesures de temps dans les deux référentiels inertiels, nous pouvons relier les distances dans (Figure) les unes aux autres, puis exprimer chaque distance en termes de temps de parcours (respectivement soit ou alors ) de l'impulsion dans le référentiel correspondant. L'équation résultante peut alors être résolue pour en terme de

Les longueurs et L dans (Figure) sont les côtés d'un triangle rectangle avec hypoténuse s. Du théorème de Pythagore,

Les longueurs 2s et 2L sont, respectivement, les distances que l'impulsion de lumière et le vaisseau spatial parcourent dans le temps dans le cadre de l'observateur terrestre. La durée est la distance parcourue par l'impulsion lumineuse dans le temps dans le cadre de l'astronaute. Cela nous donne trois équations :

Notez que nous avons utilisé le deuxième postulat d'Einstein en prenant la vitesse de la lumière pour être c dans les deux référentiels inertiels. Nous substituons ces résultats dans l'expression précédente du théorème de Pythagore :

Puis on réarrange pour obtenir

Enfin, la résolution de en terme de nous donne

est le facteur relativiste (souvent appelé facteur de Lorentz ) donné par

et v et c sont les vitesses de l'observateur en mouvement et de la lumière, respectivement.

Notez l'asymétrie entre les deux mesures. Un seul d'entre eux est une mesure de l'intervalle de temps entre deux événements - l'émission et l'arrivée de l'impulsion lumineuse - à la même position. C'est une mesure de l'intervalle de temps dans la trame de repos d'une seule horloge. La mesure dans le cadre terrestre consiste à comparer l'intervalle de temps entre deux événements qui se produisent à des endroits différents. L'intervalle de temps entre les événements qui se produisent à un seul endroit a un nom distinct pour le distinguer du temps mesuré par l'observateur terrestre, et nous utilisons le symbole distinct de s'y référer tout au long de ce chapitre.

Le bon intervalle de temps entre deux événements est l'intervalle de temps mesuré par un observateur pour lequel les deux événements se produisent au même endroit.

L'équation relative et est Vraiment remarquable. Premièrement, comme indiqué précédemment, le temps écoulé n'est pas le même pour différents observateurs se déplaçant les uns par rapport aux autres, même si les deux sont dans des référentiels inertiels. Un intervalle de temps approprié pour un observateur qui, comme l'astronaute, se déplace avec l'appareil, est plus petit que l'intervalle de temps pour les autres observateurs. C'est le temps mesuré le plus petit possible entre deux événements. L'observateur terrestre voit les intervalles de temps dans le système en mouvement comme dilatés (c'est-à-dire allongés) par rapport à la façon dont l'observateur se déplaçant par rapport à la Terre les voit dans le système en mouvement. Alternativement, selon l'observateur terrestre, moins de temps s'écoule entre les événements dans le cadre mobile. Notez que le temps écoulé le plus court entre les événements se situe dans le référentiel inertiel dans lequel l'observateur voit les événements (par exemple, l'émission et l'arrivée du signal lumineux) se produire au même point.

Cet effet temporel est réel et n'est pas causé par des horloges inexactes ou des mesures incorrectes. Les mesures d'intervalle de temps du même événement diffèrent pour les observateurs en mouvement relatif. La dilatation du temps est une propriété intrinsèque du temps lui-même. Toutes les horloges se déplaçant par rapport à un observateur, y compris les horloges biologiques, telles que le rythme cardiaque d'une personne ou le vieillissement, fonctionnent plus lentement qu'une horloge stationnaire par rapport à l'observateur.

Notez que si la vitesse relative est bien inférieure à la vitesse de la lumière ensuite est extrêmement petit, et les temps écoulés et sont presque égaux. Aux faibles vitesses, la physique basée sur la relativité moderne s'approche de la physique classique - les expériences quotidiennes impliquent de très petits effets relativistes. Cependant, pour des vitesses proches de la vitesse de la lumière, est proche de un, donc est très petit et devient nettement plus grand que

Demi-vie d'un muon

Il existe de nombreuses preuves expérimentales que l'équation est correct. Un exemple se trouve dans les particules de rayons cosmiques qui pleuvent continuellement sur Terre depuis l'espace lointain. Certaines collisions de ces particules avec des noyaux dans la haute atmosphère donnent lieu à des particules à courte durée de vie appelées muons . La demi-vie (temps nécessaire à la moitié d'un matériau pour se désintégrer) d'un muon est de 1,52 s lorsqu'il est au repos par rapport à l'observateur qui mesure la demi-vie. C'est le bon intervalle de temps Ce court laps de temps permet à très peu de muons d'atteindre la surface de la Terre et d'être détectés si les hypothèses newtoniennes sur le temps et l'espace étaient correctes. Cependant, les muons produits par les particules de rayons cosmiques ont une gamme de vitesses, certains se déplaçant près de la vitesse de la lumière. Il a été constaté que la demi-vie du muon mesurée par un observateur terrestre () varie avec la vitesse exactement comme le prédit l'équation Plus le muon se déplace rapidement, plus il vit longtemps. Nous, sur Terre, voyons le muon durer beaucoup plus longtemps que sa demi-vie ne le prédit dans son propre cadre de repos. Vu de notre cadre, le muon se désintègre plus lentement qu'au repos par rapport à nous. En conséquence, une fraction beaucoup plus importante de muons atteint le sol.

Avant de présenter le premier exemple de résolution d'un problème en relativité, nous énonçons une stratégie que vous pouvez utiliser comme ligne directrice pour ces calculs.

  1. Faites une liste de ce qui est donné ou peut être déduit du problème tel qu'énoncé (identifier les connus). Rechercher en particulier des informations sur la vitesse relative v.
  2. Identifiez exactement ce qui doit être déterminé dans le problème (identifiez les inconnues).
  3. Assurez-vous de bien comprendre les aspects conceptuels du problème avant de faire des calculs (exprimez la réponse sous forme d'équation). Décidez, par exemple, quel observateur voit le temps dilaté ou la longueur contractée avant de travailler avec les équations ou de les utiliser pour effectuer le calcul. Si vous avez réfléchi à qui voit quoi, qui se déplace avec l'événement observé, qui voit le bon moment, et ainsi de suite, il vous sera beaucoup plus facile de déterminer si votre calcul est raisonnable.
  4. Déterminez le principal type de calcul à effectuer pour trouver les inconnues identifiées ci-dessus (faites le calcul). Vous trouverez le résumé de la section utile pour déterminer si une contraction de longueur, une énergie cinétique relativiste ou un autre concept est impliqué.

Noter que vous ne devez pas arrondir lors du calcul. Comme indiqué dans le texte, vous devez souvent effectuer vos calculs à plusieurs chiffres pour voir l'effet souhaité. Vous pouvez arrondir à la toute fin de la solution du problème, mais n'utilisez pas de nombre arrondi dans un calcul ultérieur. Vérifiez également la réponse pour voir si elle est raisonnable : est-ce que cela a du sens ? Cela peut être plus difficile pour la relativité, qui a peu d'exemples quotidiens pour fournir une expérience avec ce qui est raisonnable. Mais vous pouvez rechercher des vitesses supérieures à c ou des effets relativistes qui vont dans le mauvais sens (comme une contraction du temps où une dilatation était attendue).

Dilatation du temps dans un véhicule à grande vitesse Le véhicule à technologie hypersonique 2 (HTV-2) est un véhicule-fusée expérimental capable de se déplacer à 21 000 km/h (5830 m/s). Si une horloge électronique dans le HTV-2 mesure un intervalle de temps d'exactement 1 s, quel sera l'intervalle de temps mesuré par les observateurs sur Terre ?

Stratégie Appliquer la formule de dilatation du temps pour relier l'intervalle de temps approprié du signal dans HTV-2 à l'intervalle de temps mesuré au sol.

  1. Identifiez les connus :
  2. Identifiez l'inconnu :
  3. Exprimez la réponse sous forme d'équation :

Signification La très grande vitesse du HTV-2 n'est encore que 10 à 5 fois la vitesse de la lumière. Les effets relativistes pour le HTV-2 sont négligeables dans presque tous les cas, mais ne sont pas nuls.

Quelles vitesses sont relativistes ? À quelle vitesse un véhicule doit-il voyager pendant 1 seconde de temps mesuré sur une montre de passager dans le véhicule pour différer de 1 % pour un observateur le mesurant depuis le sol à l'extérieur ?

Stratégie Utilisez la formule de dilatation du temps pour trouver v/c pour le rapport de temps donné.

Signification Le résultat montre qu'un objet doit se déplacer à très environ 10 % de la vitesse de la lumière pour que son mouvement produise des effets de dilatation du temps relativistes significatifs.

Calculateur pour un événement relativiste Supposons qu'un rayon cosmique entrant en collision avec un noyau dans la haute atmosphère terrestre produise un muon qui a une vitesse Le muon se déplace alors à vitesse constante et vit 2,20 μs tel que mesuré dans le cadre de référence du muon. (Vous pouvez imaginer cela comme l'horloge interne du muon.) Combien de temps le muon vit-il tel que mesuré par un observateur terrestre ((Figure)) ?

Comme nous le verrons plus tard, dans le référentiel du muon, il parcourt une distance plus courte que celle mesurée dans le référentiel terrestre.

Stratégie Une horloge se déplaçant avec le muon mesure l'heure exacte de son processus de désintégration, donc l'heure qui nous est donnée est L'observateur terrestre mesure comme donné par l'équation Parce que la vitesse est donnée, nous pouvons calculer le temps dans le cadre de référence de la Terre.

  1. Identifiez les connus :
  2. Identifiez l'inconnu :
  3. Exprimez la réponse sous forme d'équation. Utiliser:

Signification Une implication de cet exemple est que parce que à 95,0% de la vitesse de la lumière les effets relativistes sont importants. Les deux intervalles de temps diffèrent d'un facteur 3,20, alors que classiquement ils seraient les mêmes. Quelque chose bouge à 0,950c est dit très relativiste.

Télévision relativiste Un écran de télévision de style ancien à écran non plat ((Figure)) fonctionne en accélérant les électrons sur une courte distance jusqu'à une vitesse relativiste, puis en utilisant des champs électromagnétiques pour contrôler l'endroit où le faisceau d'électrons frappe une couche fluorescente à l'avant de la tube. Supposons que les électrons se déplacent à à travers une distance de du début du faisceau à l'écran. (a) Quel est le temps de parcours d'un électron dans la trame de repos du téléviseur ? (b) Quel est le temps de déplacement de l'électron dans son propre repère de repos ?

Stratégie pour (a) (a) Calculer le temps à partir de Même si la vitesse est relativiste, le calcul est entièrement dans un seul référentiel, et la relativité n'intervient donc pas.

Importance Le temps de trajet est extrêmement court, comme prévu. Parce que le calcul est entièrement dans un seul cadre de référence, la relativité n'est pas impliquée, même si la vitesse des électrons est proche de c.

Stratégie pour (b) (b) Dans le référentiel de l'électron, le tube à vide est en mouvement et l'électron est immobile. La cathode émettrice d'électrons quitte l'électron et l'avant du tube à vide frappe l'électron avec l'électron au même endroit. Par conséquent, nous utilisons la formule de dilatation du temps pour relier le temps approprié dans la trame de repos des électrons au temps dans la trame de télévision.

    Identifiez les connus (de la partie a) :

Signification Le temps de parcours est plus court dans le référentiel électronique. Parce que le problème nécessite de trouver l'intervalle de temps mesuré dans différents cadres de référence pour le même processus, la relativité est impliquée. Si nous avions essayé de calculer le temps dans le repère de repos des électrons en divisant simplement les 0,200 m par la vitesse, le résultat serait légèrement incorrect à cause de la vitesse relativiste de l'électron.

Vérifie ta compréhension Qu'est-ce que si

Le paradoxe des jumeaux

Une conséquence intrigante de la dilatation du temps est qu'un voyageur de l'espace se déplaçant à grande vitesse par rapport à la Terre vieillirait moins que le jumeau terrestre de l'astronaute. C'est ce qu'on appelle souvent le paradoxe des jumeaux. Imaginez l'astronaute se déplaçant à une vitesse telle que comme dans (Figure). Un voyage qui prend 2,00 ans dans son cadre prendrait 60,0 ans dans le cadre du jumeau terrestre. Supposons que l'astronaute voyage 1,00 an vers un autre système stellaire, explore brièvement la région, puis voyage 1,00 an en arrière. Un astronaute qui avait 40 ans au début du voyage en aurait 42 au retour du vaisseau spatial. Tout sur Terre, cependant, aurait vieilli de 60 ans. Le jumeau terrestre, s'il était encore en vie, aurait 100 ans.

La situation semblerait différente pour l'astronaute de (Figure). Parce que le mouvement est relatif, le vaisseau spatial semblerait être stationnaire et la Terre semblerait se déplacer. (C'est la sensation que vous avez en volant dans un jet.) En regardant par la fenêtre du vaisseau spatial, l'astronaute verrait le temps ralentir sur Terre d'un facteur de Vu du vaisseau spatial, le frère terrestre n'aura vieilli que de 2/30 ans, soit 0,07 d'un an, alors que l'astronaute aurait vieilli de 2,00 ans.

Le paradoxe ici est que les deux jumeaux ne peuvent pas tous les deux être corrects. Comme pour tous les paradoxes, des conclusions contradictoires proviennent d'une fausse prémisse. En fait, le mouvement de l'astronaute est très différent de celui du jumeau terrestre. L'astronaute accélère à une vitesse élevée, puis décélère pour voir le système stellaire. Pour revenir sur Terre, elle accélère et décélère à nouveau. L'engin spatial n'est pas dans un seul référentiel inertiel auquel la formule de dilatation du temps peut être directement appliquée. C'est-à-dire que le jumeau astronaute change de références inertielles. Le jumeau terrestre ne subit pas ces accélérations et reste dans le même référentiel inertiel. Ainsi, la situation n'est pas symétrique, et il est faux de prétendre que l'astronaute observe les mêmes effets que son jumeau. Le manque de symétrie entre les jumeaux sera encore plus évident lorsque nous analyserons le voyage plus loin dans ce chapitre en termes de chemin suivi par l'astronaute dans l'espace-temps à quatre dimensions.

En 1971, les physiciens américains Joseph Hafele et Richard Keating ont vérifié la dilatation du temps à de faibles vitesses relatives en faisant voler des horloges atomiques extrêmement précises autour du monde à bord d'avions commerciaux. Ils ont mesuré le temps écoulé avec une précision de quelques nanosecondes et l'ont comparé au temps mesuré par les horloges laissées pour compte. Les résultats de Hafele et Keating se situaient dans les incertitudes expérimentales des prédictions de la relativité. La relativité restreinte et générale devaient être prises en compte, car la gravité et les accélérations étaient impliquées ainsi que le mouvement relatif.

Vérifie ta compréhension une. Une particule se déplace à et vit au repos par rapport à un observateur. Quelle est la durée de vie de la particule vue en laboratoire ?

une.

b. Vaisseau spatial UNE et B passer dans des directions opposées à une vitesse relative de Une horloge interne dans un vaisseau spatial UNE provoque l'émission d'un signal radio pendant 1,00 s. L'ordinateur dans le vaisseau spatial B corrige le début et la fin du signal ayant parcouru des distances différentes, pour calculer l'intervalle de temps pendant lequel le navire UNE émettait le signal.Quel est l'intervalle de temps que l'ordinateur dans le vaisseau spatial B calcule ?

b. Seule la vitesse relative des deux engins spatiaux compte car il n'y a pas de mouvement absolu dans l'espace. Le signal est émis à partir d'un emplacement fixe dans le référentiel de UNE, donc l'intervalle de temps propre à son émission est La durée du signal mesuré à partir du référentiel B est alors

Résumé

  • Deux événements sont définis comme simultanés si un observateur les mesure comme se produisant en même temps. Ils ne sont pas nécessairement simultanés pour tous les observateurs — la simultanéité n'est pas absolue.
  • La dilatation du temps est l'allongement de l'intervalle de temps entre deux événements lorsqu'ils sont vus dans un référentiel inertiel en mouvement plutôt que dans le référentiel de repos des événements (dans lequel les événements se produisent au même endroit).
  • Observateurs se déplaçant à une vitesse relative v ne mesurez pas le même temps écoulé entre deux événements. Moment approprié est le temps mesuré dans le cadre de référence où le début et la fin de l'intervalle de temps se produisent au même endroit. L'intervalle de temps mesuré par un observateur qui voit le cadre des événements se déplacer à grande vitesse v est lié à l'intervalle de temps approprié des événements par l'équation :

Questions conceptuelles

(a) Le mouvement affecte-t-il la fréquence d'une horloge telle que mesurée par un observateur se déplaçant avec elle ? (b) Le mouvement affecte-t-il la façon dont un observateur se déplaçant par rapport à une horloge mesure sa vitesse ?

A qui le temps écoulé pour un processus semble-t-il plus long, un observateur se déplaçant par rapport au processus ou un observateur se déplaçant avec le processus ? Quel observateur mesure l'intervalle de temps propre ?

L'observateur se déplaçant avec le processus voit son intervalle de temps propre, qui est le plus court vu par un observateur.

(a) Comment pourriez-vous voyager loin dans le futur de la Terre sans vieillir de manière significative ? (b) Cette méthode pourrait-elle aussi vous permettre de voyager dans le passé ?

Problèmes

(a) Qu'est-ce que si (b) Si

(a) Qu'est-ce que si (b) Si

Particules appelées -les mésons sont produits par des faisceaux accélérateurs. Si ces particules se déplacent à et vie au repos par rapport à un observateur, combien de temps vivent-ils vus en laboratoire ?

Supposons qu'une particule appelée kaon soit créée par un rayonnement cosmique frappant l'atmosphère. Il se déplace par vous à et ça vit au repos par rapport à un observateur. Combien de temps vit-il tel que vous l'observez ?

Un neutre -meson est une particule qui peut être créée par des faisceaux d'accélérateurs. Si une telle particule vit mesurée en laboratoire, et au repos par rapport à un observateur, quelle est sa vitesse par rapport au laboratoire ?

Un neutron vit 900 s au repos par rapport à un observateur. À quelle vitesse le neutron se déplace-t-il par rapport à un observateur qui mesure sa durée de vie à 2065 s ?

Si les effets relativistes doivent être inférieurs à 1 %, alors doit être inférieur à 1,01. A quelle vitesse relative est

Si les effets relativistes doivent être inférieurs à 3 %, alors doit être inférieur à 1,03. A quelle vitesse relative est

Glossaire

moment approprié est l'intervalle de temps mesuré par un observateur qui voit le début et la fin du processus que l'intervalle de temps mesure se produisent au même endroit dilatation du temps allongement de l'intervalle de temps entre deux événements lorsqu'il est vu dans un référentiel inertiel en mouvement plutôt que dans le référentiel de repos de les événements (dans lesquels les événements se produisent au même endroit)

Comment fonctionne la gravité ?

Chaque fois que vous sautez, vous ressentez la gravité. Il vous ramène au sol. Sans gravité, vous flotteriez dans l'atmosphère - avec toutes les autres matières sur Terre.

Vous voyez la gravité à l'œuvre chaque fois que vous laissez tomber un livre, montez sur une balance ou lancez une balle en l'air. C'est une présence si constante dans nos vies, nous nous émerveillons rarement du mystère de celui-ci - mais même avec plusieurs théories bien reçues essayant d'expliquer pourquoi un livre tombe au sol (et au même rythme qu'un caillou ou un canapé, en plus), ce ne sont encore que des théories. Le mystère de l'attraction de la gravité est à peu près intact.

Alors que savons-nous de la gravité ? Nous savons que cela amène deux objets quelconques de l'univers à être attirés l'un vers l'autre. Nous savons que la gravité a aidé à former l'univers, qu'elle maintient la lune en orbite autour de la Terre et qu'elle peut être exploitée pour des applications plus banales comme les moteurs ou les lampes à gravité.

Quant à la science derrière l'action, nous savons qu'Isaac Newton a défini la gravité comme une force - une force qui attire tous les objets vers tous les autres objets. Nous savons qu'Albert Einstein a dit que la gravité est le résultat de la courbure de l'espace-temps. Ces deux théories sont les explications de la gravité les plus courantes et les plus répandues (bien que quelque peu incomplètes).

Dans cet article, nous examinerons la théorie de la gravité de Newton, la théorie de la gravité d'Einstein et nous aborderons également une vision plus récente du phénomène.

Bien que de nombreuses personnes aient déjà noté que la gravité existe, Newton a été le premier à développer une explication cohérente de la gravité, nous allons donc commencer par là.

Dans les années 1600, un physicien et mathématicien anglais du nom d'Isaac Newton était assis sous un pommier – c'est du moins ce que la légende nous dit. Apparemment, une pomme est tombée sur sa tête et il a commencé à se demander pourquoi la pomme avait été attirée par le sol en premier lieu.

Newton a publié sa théorie de la gravitation universelle dans les années 1680. Il énonce essentiellement l'idée que la gravité est une force prévisible qui agit sur toute la matière de l'univers et qui est fonction à la fois de la masse et de la distance. La théorie stipule que chaque particule de matière attire toutes les autres particules (par exemple, les particules de "Terre" et les particules de "vous") avec une force qui est directement proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. .

Ainsi, plus les particules sont éloignées, et/ou moins les particules sont massives, moins la force gravitationnelle est importante.

La formule standard de la loi de la gravitation va [source : UT] :

Force gravitationnelle = (G * m1 * m2) / (d2)

Force gravitationnelle = (G * m1 * m2) / (d 2 )

g est la constante gravitationnelle, m1 et m2 sont les masses des deux objets pour lesquels vous calculez la force, et est la distance entre les centres de gravité des deux masses.

G a la valeur de 6,67 x 10E-8 dyne * cm 2 /gm 2 . Donc, si vous placez deux objets de 1 gramme à 1 centimètre l'un de l'autre, ils s'attireront avec la force de 6,67 x 10E-8 dyne. UNE dyne est égal à environ 0,001 gramme de poids, ce qui signifie que si vous disposez d'une dyne de force, elle peut soulever 0,001 gramme dans le champ gravitationnel de la Terre. Donc 6,67 x 10E-8 dyne est une force minuscule.

Cependant, lorsque vous traitez des corps massifs comme la Terre, qui a une masse de 6E+24 kilogrammes (voir Combien pèse la planète Terre ?), cela s'ajoute à une force gravitationnelle assez puissante. C'est pourquoi vous ne flottez pas dans l'espace en ce moment.

La force de gravité agissant sur un objet est aussi le poids de cet objet. Lorsque vous montez sur une balance, la balance lit la gravité qui agit sur votre corps. La formule pour déterminer le poids est [source : Kurtus] :

m est la masse d'un objet, et g est l'accélération due à la pesanteur. L'accélération due à la gravité sur Terre est de 9,8 m/s² - elle ne change jamais, quelle que soit la masse d'un objet. C'est pourquoi si vous laissiez tomber un caillou, un livre et un canapé d'un toit, ils heurteraient le sol en même temps.

Pendant des centaines d'années, la théorie de la gravité de Newton était à peu près seule dans la communauté scientifique. Cela a changé au début des années 1900.


Accélération et vitesse

La deuxième loi de Newton dit que lorsqu'une force constante agit sur un corps massif, elle le fait accélérer, c'est-à-dire modifier sa vitesse, à un taux constant. Dans le cas le plus simple, une force appliquée à un objet au repos le fait accélérer dans le sens de la force. Cependant, si l'objet est déjà en mouvement, ou si cette situation est vue à partir d'un référentiel inertiel en mouvement, ce corps peut sembler accélérer, ralentir ou changer de direction en fonction de la direction de la force et des directions que l'objet et le cadre de référence se déplacent l'un par rapport à l'autre.

Les lettres en gras F et une dans l'équation indiquent que la force et l'accélération sont vecteur quantités, ce qui signifie qu'elles ont à la fois une amplitude et une direction. La force peut être une force unique ou elle peut être la combinaison de plusieurs forces. Dans ce cas, nous écririons l'équation sous la forme &sumF = mune

Le grand &Sigma (la lettre grecque sigma) représente le somme vectorielle de toutes les forces, ou force nette, agissant sur un corps.

Il est assez difficile d'imaginer appliquer une force constante à un corps pendant une durée indéfinie. Dans la plupart des cas, les forces ne peuvent être appliquées que pendant un temps limité, produisant ce qu'on appelle impulsion. Pour un corps massif se déplaçant dans un référentiel inertiel sans aucune autre force telle que le frottement agissant sur lui, une certaine impulsion provoquera un certain changement de sa vitesse. Le corps peut accélérer, ralentir ou changer de direction, après quoi le corps continuera à se déplacer à une nouvelle vitesse constante (à moins, bien sûr, que l'impulsion ne provoque l'arrêt du corps).

Il existe cependant une situation dans laquelle nous rencontrons une force constante et la force due à l'accélération gravitationnelle, ce qui amène des corps massifs à exercer une force descendante sur la Terre. Dans ce cas, l'accélération constante due à la gravité s'écrit sous la forme g, et la deuxième loi de Newton devient F = mg. Notez que dans ce cas, F et g ne sont pas conventionnellement écrits comme des vecteurs, car ils pointent toujours dans la même direction, vers le bas.

Le produit de la masse par l'accélération gravitationnelle, mg, est connu comme poids, qui est juste un autre type de force. Sans gravité, un corps massif n'a pas de poids, et sans corps massif, la gravité ne peut pas produire de force. Afin de surmonter la gravité et de soulever un corps massif, vous devez produire une force ascendante mune qui est supérieure à la force gravitationnelle vers le bas mg.


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Mise à jour 07.11

On peut choisir le modèle pour discuter du problème et donc choisissons :

Modèle: Mécanique newtonienne/gravité newtonienne, avec l'Univers rempli de matière uniformément dense, n'interagissant que gravitationnellement (en cosmologie, cela s'appelle « matière de poussière »), et au moment initial de notre voyage en vaisseau spatial, toute cette matière est au repos.

Par conséquent, mon vaisseau spatial devrait commencer à accélérer vers ×. En choisissant la sphère suffisamment grande, je devrais pouvoir la faire accélérer arbitrairement, et en choisissant l'emplacement de × je peux la faire accélérer dans n'importe quelle direction.

Bien sûr, cela ne fonctionne pas, mais pourquoi ?.

Ça marche. Si nous supposons qu'initialement le vaisseau spatial était au repos avec l'univers entier, il atteindra le point × dans le temps nécessaire pour que le vaisseau tombe dans une masse ponctuelle égale à la masse de la sphère rose.

Le problème est qu'à ce moment-là, toute la sphère rose tombe également vers ce même point, de même que toutes les autres sphères colorées et le reste de l'univers également. Si notre astronaute vérifie sa distance au point × avant que le vaisseau spatial ne tombe dedans, elle remarquera que cette distance a diminué, mais en même temps, elle vérifie son environnement, elle remarquera que le vaisseau spatial est entouré précisément des mêmes particules de matière que lorsque le voyage a commencé, ils sont plus proches l'un de l'autre et du vaisseau spatial. Cette contraction de distance est simplement une version newtonienne de l'événement Big Crunch.

Si l'univers est rempli de matière interagissant uniquement de manière gravitationnelle et que nous supposons que la densité de matière restera uniforme dans tout l'univers, alors la seule conclusion serait qu'un tel univers n'est pas statique. Il a soit (version newtonienne de) Big Bang dans son passé ou Big Crunch dans son avenir (ou dans notre modèle, puisque nous avons choisi le moment initial comme tournant de l'expansion à la contraction, il a les deux).

Il peut sembler que tout l'Univers tombant vers notre point choisi × soit une absurdité, puisque nous avons choisi ce point arbitrairement. Mais dans cette situation il y a non paradoxe, l'accélération de toute matière vers ce point est due au fait que dans notre configuration il n'y a pas d'« espace absolu », pas d'ensemble de dehors des observateurs inertiels stationnaires qui pourraient nous donner accélérations absolues, à la place on ne peut choisir qu'un point de référence × (ou plutôt spécifier un observateur situé en ce point et au repos par rapport à la matière environnante) et calculer accélérations relatives vers ce point.

Rappelons que le premier principe de la mécanique newtonienne stipule que chaque particule continue dans son état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite à moins qu'elle ne soit sollicitée par une force extérieure. Pour un système isolé, par exemple une collection d'objets gravitants de masse totale finie, nous pourrions (au moins en principe) placer un observateur au repos si loin qu'il pourrait être considéré comme un objet inertiel. Cela permettrait de définir un référentiel par rapport auquel on mesurerait les accélérations. Mais dans notre cosmologie newtonienne la matière remplit tout l'Univers, il n'y a pas d'observateur sur lequel la gravité n'agit pas, donc il n'y a pas d'ensemble de référentiels définis par des observateurs « à l'infini » uniquement des observateurs à l'intérieur des concentrations de matière qui sont affectées par la gravitation. les forces.

Bien qu'il n'y ait pas d'accélérations absolues, les positions relatives ( $mathbf_(t)= mathbf_A(t)-mathbf_B(t)$ entre les objets $A$ et $B$ se déplaçant avec la matière de l'univers) ont une signification indépendante du choix du point de référence. Ces positions relatives, vitesses relatives ( $dot>_$ ), les accélérations relatives, etc. constituent l'ensemble des grandeurs définies sans ambiguïté mesurables au sein de notre univers.

alors mon intuition me dit que je peux juste choisir un univers suffisamment statique.

Cette intuition est fausse, s'il y a une force gravitationnelle qui accélérerait votre vaisseau spatial vers ×, alors il agirait également sur une matière proche (appelez-les particules de poussière ou planètes ou étoiles) produisant la même accélération, donc tout l'univers tomber vers ×.

Note sur la cosmologie newtonienne il peut sembler que la théorie newtonienne de la gravitation soit mal adaptée pour traiter des distributions homogènes spatialement infinies de la matière. Mais on peut essayer de séparer la physique de la situation des carences d'un formalisme particulier et éventuellement de les pallier. Comme motivation, nous pourrions noter que sur de grandes distances cosmologiques, notre univers à un degré élevé de précision pourrait être considéré comme spatialement plat, et les vitesses de la plupart des objets massifs les uns par rapport aux autres et au cadre de CMB sont très petites par rapport à la vitesse de lumière, ce qui signifie que l'approximation newtonienne peut être appropriée. Bien que nous sachions que la relativité générale fournit une meilleure description de la gravitation, la gravité newtonienne est beaucoup plus simple sur le plan informatique et conceptuel. Cela semble suggérer qu'il vaut la peine de « réparer » tous les problèmes rencontrés tout en essayant de formaliser les solutions cosmologiques de la gravité newtonienne.

L'approche la plus naturelle consiste à « géométriser » la gravité newtonienne et à la considérer au lieu de « force » comme faisant partie de la géométrie, connexion dynamique représentant la gravité et l'inertie. Ceci est fait dans le cadre de la théorie de Newton-Cartan.

Pour une référence plus détaillée, en mettant l'accent sur la cosmologie, voir cet article (une connaissance de la relativité générale est requise) :

La théorie de Newton-Cartan souligne les similitudes conceptuelles entre la gravité newtonienne et la relativité générale, le groupe de Galilei remplaçant le groupe de Lorentz de GR. L'approche générale est sans coordonnées et est étroitement liée à la machinerie de la relativité générale, mais un choix spécifique des coordonnées locales de Galilei produirait les équations habituelles pour l'accélération ( $mathop> mathbf = - 4pi ho$ ), l'accélération gravitationnelle faisant désormais partie de la connexion newtonienne. Les solutions cosmologiques homogènes et isotropes sont une simple remontée des cosmologies FLRW.

Bien que les équations soient les mêmes, nous pouvons déjà répondre à certaines questions conceptuelles.

Étant donné que l'accélération gravitationnelle fait partie de la connexion, il n'y a aucune raison de s'attendre à ce qu'il s'agisse d'un objet «absolu», il y aurait des transformations de jauge qui le modifieraient. Nous pouvons avoir plusieurs graphiques sur lesquels nous définissons la physique avec les cartes de transition normalement définies entre les deux.

Nous pouvons avoir un fermé En cosmologie FRW, l'« espace » ne doit pas nécessairement être un espace euclidien, ce pourrait être un tore $T_3$ (les équations de champ nécessitent que localement l'espace soit plat). Étant donné que le volume spatial d'un univers fermé varie et tend vers zéro à mesure que l'univers approche du Big Crunch, cela affirme que non seulement la matière mais l'espace lui-même s'effondre pendant le Big Crunch (pour répondre à l'un des commentaires).

Il est assez simple d'inclure la constante cosmologique / énergie noire rendant ainsi les modèles plus réalistes.

Note sur la réponse de l'utilisateur105620: Si nous formulons une procédure de régularisation en introduisant une fonction fenêtre $W(epsilon,x_0)$ cela rendrait le potentiel bien comporté. Cela nous fournit une autre façon de « résoudre » les problèmes de notre modèle cosmologique. L'accélération de notre vaisseau calculée avec cette régularisation est en effet dépendante du choix de $x_0$ dans la limite $epsilon o 0$ , qui est la conséquence de la même liberté dans le choix du point de référence ×. Mais il/elle n'aurait tout simplement pas dû s'arrêter là. Les divergences nécessitant l'utilisation de régulateurs et les ambiguïtés subsistant après la régularisation sont des caractéristiques tout à fait normales dans le développement de modèles physiques. L'étape suivante consisterait à identifier les quantités physiquement significatives et à vérifier qu'elles sont indépendantes des artefacts du régulateur. Dans notre cas ni $Phi$ potentiel ni accélération gravitationnelle $mathbf$ sont directement observables dans ce modèle. Les positions relatives, les vitesses relatives et les accélérations relatives sont observables et celles-ci deviennent indépendantes du paramètre régulateur $x_0$ .


Énergie noire : le plus grand mystère de l'univers

Deux fois par jour, sept jours par semaine, de février à novembre au cours des quatre dernières années, deux chercheurs se sont superposés de sous-vêtements thermiques et de vêtements d'extérieur, avec de la polaire, de la flanelle, des gants doubles, des chaussettes doubles, des combinaisons matelassées et des parkas rouges bouffantes, se momifiant. jusqu'à ce qu'ils ressemblent à des Michelin Men jumeaux. Puis ils sortent, échangeant la chaleur et les commodités modernes d'une station scientifique (baby-foot, centre de remise en forme, cafétéria ouverte 24h / 24) contre un paysage sans relief à moins 100 degrés Fahrenheit, plus plat que le Kansas et l'un des endroits les plus froids de la planète.Ils cheminent dans l'obscurité sur près d'un kilomètre et demi, à travers un plateau de neige et de glace, jusqu'à ce qu'ils discernent, sur fond de plus d'étoiles que n'importe quel observateur d'arrière-cour n'en ait jamais vu, la silhouette du disque géant du télescope du pôle Sud. , où ils se joignent à un effort mondial pour résoudre peut-être la plus grande énigme de l'univers : de quoi la plus grande partie est faite.

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Pendant des milliers d'années, notre espèce a étudié le ciel nocturne et s'est demandé s'il y avait autre chose là-bas. L'année dernière, nous avons célébré le 400e anniversaire de la réponse de Galilée : Oui. Galilée a dressé un nouvel instrument, le télescope, sur le ciel et a vu des objets qu'aucune autre personne n'avait jamais vus : des centaines d'étoiles, des montagnes sur la Lune, des satellites de Jupiter. Depuis lors, nous avons trouvé plus de 400 planètes autour d'autres étoiles, 100 milliards d'étoiles dans notre galaxie, des centaines de milliards de galaxies au-delà de la nôtre, même le faible rayonnement qui est l'écho du Big Bang.

Maintenant, les scientifiques pensent que même ce recensement extravagant de l'univers pourrait être aussi dépassé que le cosmos à cinq planètes que Galilée a hérité des anciens. Les astronomes ont rassemblé des preuves que ce que nous avons toujours considéré comme l'univers réel, vous, ce magazine, les planètes, les étoiles, les galaxies, toute la matière dans l'espace ne représente que 4% de ce qui existe réellement. Ils appellent le reste, faute d'un meilleur mot, sombre : 23 % sont quelque chose qu'ils appellent matière noire, et 73 % sont quelque chose d'encore plus mystérieux, qu'ils appellent énergie noire.

"Nous avons un inventaire complet de l'univers", a déclaré Sean Carroll, un cosmologue du California Institute of Technology, "et cela n'a aucun sens".

Les scientifiques ont des idées sur ce que la matière noire pourrait être des particules exotiques et encore hypothétiques, mais ils n'ont guère la moindre idée de l'énergie noire. En 2003, le Conseil national de recherches a classé « Quelle est la nature de l'énergie noire ? » comme l'un des problèmes scientifiques les plus urgents des décennies à venir. Le chef du comité qui a rédigé le rapport, le cosmologue de l'Université de Chicago Michael S. Turner, va plus loin et classe l'énergie noire comme "le mystère le plus profond de toute la science".

L'effort pour le résoudre a mobilisé une génération d'astronomes dans une refonte de la physique et de la cosmologie pour rivaliser et peut-être dépasser la révolution que Galilée a inaugurée un soir d'automne à Padoue. Ils se réconcilient avec une profonde ironie : c'est la vue elle-même qui nous a aveuglés sur presque tout l'univers. Et la reconnaissance de cet aveuglement, à son tour, nous a poussés à nous demander, comme si pour la première fois : quel est ce cosmos que nous appelons maison ?

Les scientifiques sont parvenus à un consensus dans les années 1970 sur le fait qu'il y avait plus dans l'univers qu'il n'y paraît. Dans des simulations informatiques de notre galaxie, la Voie lactée, les théoriciens ont découvert que le centre ne tiendrait pas d'après ce que nous pouvons en voir, notre galaxie n'a pas assez de masse pour tout maintenir en place. En tournant, il devrait se désintégrer, libérant des étoiles et du gaz dans toutes les directions. Soit une galaxie spirale telle que la Voie lactée viole les lois de la gravité, soit la lumière qui en émane des vastes nuages ​​de gaz incandescents et de la myriade d'étoiles est une indication inexacte de la masse de la galaxie.

Mais que se passe-t-il si une partie de la masse d'une galaxie n'émettait pas de lumière ? Si les galaxies spirales contenaient suffisamment d'une telle masse mystérieuse, alors elles pourraient bien obéir aux lois de la gravité. Les astronomes ont surnommé la masse invisible "matière noire".

"Personne ne nous a jamais dit que toute la matière rayonnait", a déclaré Vera Rubin, une astronome dont les observations des rotations des galaxies ont fourni des preuves de la matière noire. “Nous avons juste supposé que c'était le cas.”

L'effort pour comprendre la matière noire a défini une grande partie de l'astronomie pour les deux prochaines décennies. Les astronomes ne savent peut-être pas ce qu'est la matière noire, mais en déduire sa présence leur a permis de poursuivre d'une nouvelle manière une question éternelle : quel est le destin de l'univers ?

Ils savaient déjà que l'univers est en expansion. En 1929, l'astronome Edwin Hubble avait découvert que les galaxies lointaines s'éloignaient de nous et que plus elles s'éloignaient, plus elles semblaient s'éloigner rapidement.

C'était une idée radicale. Au lieu de la nature morte majestueuse et éternellement immuable que l'univers semblait être autrefois, il était en réalité vivant dans le temps, comme un film. Rembobinez le film de l'expansion et l'univers finira par atteindre un état de densité et d'énergie infinies, ce que les astronomes appellent le Big Bang. Mais que se passe-t-il si vous frappez en avance rapide ? Comment l'histoire se terminerait-elle ?

L'univers est plein de matière et la matière attire d'autres matières par gravité. Les astronomes ont estimé que l'attraction mutuelle entre toute cette matière devait ralentir l'expansion de l'univers. Mais ils ne savaient pas quel serait le résultat final. L'effet gravitationnel serait-il si puissant que l'univers finirait par s'étirer sur une certaine distance, s'arrêter et s'inverser, comme une balle lancée en l'air ? Ou serait-il si léger que l'univers lui échapperait et ne cesserait jamais de s'étendre, comme une fusée quittant l'atmosphère terrestre ? Ou vivions-nous dans un univers parfaitement équilibré, dans lequel la gravité assure un taux d'expansion de Boucle d'or ni trop rapide ni trop lent, de sorte que l'univers finirait par s'arrêter virtuellement ?

En supposant l'existence de la matière noire et que la loi de la gravitation est universelle, deux équipes d'astrophysiciens, l'une dirigée par Saul Perlmutter, au Lawrence Berkeley National Laboratory, l'autre par Brian Schmidt, à l'Australian National University, ont décidé de déterminer l'avenir. de l'univers. Tout au long des années 1990, les équipes rivales ont analysé de près un certain nombre d'étoiles en explosion, ou supernovas, en utilisant ces objets distants exceptionnellement brillants et à courte durée de vie pour évaluer la croissance de l'univers. Ils savaient à quel point les supernovas étaient brillantes devrait apparaissent en différents points de l'univers si le taux d'expansion est uniforme. En comparant à quel point les supernovas sont réellement plus lumineuses a fait apparaissent, les astronomes ont pensé qu'ils pourraient déterminer à quel point l'expansion de l'univers ralentissait. Mais à la surprise des astronomes, lorsqu'ils ont regardé jusqu'à la moitié de l'univers, à six ou sept milliards d'années-lumière, ils ont découvert que les supernovas n'étaient pas plus brillantes et donc plus proches que prévu. Ils étaient plus sombres, c'est-à-dire plus éloignés. Les deux équipes ont toutes deux conclu que l'expansion de l'univers ne ralentissait pas. Ça accélère.

L'implication de cette découverte était capitale : cela signifiait que la force dominante dans l'évolution de l'univers n'était pas la gravité. Il est. autre chose. Les deux équipes ont annoncé leurs découvertes en 1998. Turner a donné un surnom au « quelque chose » : l'énergie noire. Ça a collé. Depuis lors, les astronomes ont poursuivi le mystère de l'énergie noire jusqu'aux extrémités de la Terre, littéralement.

« Le pôle Sud a l'environnement le plus dur sur Terre, mais aussi le plus bénin », déclare William Holzapfel, astrophysicien de l'Université de Californie à Berkeley qui était le chercheur principal sur place au télescope du pôle Sud (SPT) lorsque j'ai a visité.

Il ne faisait pas référence à la météo, bien que dans la semaine entre Noël et le jour de l'An, au début de l'été dans l'hémisphère sud, le soleil brillait toute la journée, les températures étaient à peine dans les moins un chiffre (et un jour même a cassé zéro), et le vent était plutôt calme. Holzapfel a fait la promenade de la station Amundsen-Scott South Pole de la National Science Foundation (à quelques pas de boule de neige du site traditionnel du poteau lui-même, qui est marqué avec, oui, un poteau) au télescope portant un jean et des chaussures de course . Un après-midi, le bâtiment du laboratoire du télescope est devenu si chaud que l'équipage a ouvert une porte.

Mais du point de vue des astronomes, ce n'est que lorsque le Soleil se couche et reste couché de mars à septembre que le pôle Sud devient « bénin ».

"C'est six mois de données ininterrompues", déclare Holzapfel. Pendant les 24 heures d'obscurité de l'automne et de l'hiver austral, le télescope fonctionne sans interruption dans des conditions irréprochables pour l'astronomie. L'atmosphère est mince (le pôle est à plus de 9 300 pieds au-dessus du niveau de la mer, dont 9 000 sont de la glace). L'atmosphère est également stable, en raison de l'absence des effets de réchauffement et de refroidissement d'un soleil levant et couchant, le pôle a certains des vents les plus calmes de la Terre, et ils soufflent presque toujours dans la même direction.

Peut-être le plus important pour le télescope, l'air est techniquement exceptionnellement sec, l'Antarctique est un désert. (Les mains gercées peuvent mettre des semaines à guérir, et la transpiration n'est pas vraiment un problème d'hygiène, donc la restriction à deux douches par semaine pour économiser l'eau n'est pas vraiment un problème. Comme me l'a dit un vétéran du pôle, « Au moment où vous passer la douane à Christchurch [Nouvelle-Zélande], c'est à ce moment-là que vous aurez besoin d'une douche.”) Le SPT détecte les micro-ondes, une partie du spectre électromagnétique particulièrement sensible à la vapeur d'eau. L'air humide peut absorber les micro-ondes et les empêcher d'atteindre le télescope, et l'humidité émet son propre rayonnement, qui pourrait être interprété à tort comme des signaux cosmiques.

Pour minimiser ces problèmes, les astronomes qui analysent les micro-ondes et les ondes submillimétriques ont fait du pôle Sud une seconde maison. Leurs instruments résident dans le Dark Sector, un groupe serré de bâtiments où la lumière et d'autres sources de rayonnement électromagnétique sont réduites au minimum. (À proximité se trouvent le secteur calme, pour la recherche en sismologie, et le secteur de l'air pur, pour les projets climatiques.)

Les astronomes aiment dire que pour des conditions d'observation plus parfaites, ils devraient aller dans l'espace extra-atmosphérique, une proposition exponentiellement plus coûteuse, et que la NASA n'aime généralement pas poursuivre, à moins que la science ne puisse pas être facilement réalisée sur Terre. (Un satellite d'énergie noire est sur la planche à dessin depuis 1999 et l'année dernière est revenu à la case départ, selon un conseiller de la NASA.) Au moins sur Terre, si quelque chose ne va pas avec un instrument, vous n'avez pas besoin de réquisitionner une navette spatiale pour la réparer.

Les États-Unis ont maintenu une présence au pôle toute l'année depuis 1956, et à présent, le programme antarctique américain de la National Science Foundation est devenu une science. Jusqu'en 2008, la station était logée dans un dôme géodésique dont la couronne est encore visible au-dessus de la neige. La nouvelle station de base ressemble plus à un petit bateau de croisière qu'à un avant-poste éloigné et peut accueillir plus de 150 personnes, toutes dans des quartiers privés. A travers les hublots qui bordent les deux étages, vous pourrez contempler un horizon aussi hypnotiquement plat que n'importe quel océan. La nouvelle station repose sur des ascenseurs qui, au fur et à mesure que la neige s'accumule, permettent de la soulever sur deux étages complets.

Les chutes de neige dans cette région ultra-aride peuvent être minimes, mais celles qui soufflent des bords du continent peuvent encore faire des dégâts, créant l'une des tâches les plus banales pour l'équipe d'hivernage du SPT. Une fois par semaine pendant les mois sombres, lorsque la population de la station diminue à environ 50, les deux chercheurs du SPT sur place doivent monter dans le plat à micro-ondes de 33 pieds de large du télescope et le nettoyer. Le télescope recueille des données et les envoie aux bureaux de chercheurs distants. Les deux "hivernages" passent aussi leurs journées à travailler sur les données, les analysant comme s'ils étaient de retour chez eux. Mais lorsque le télescope rencontre un problème et qu'une alarme retentit sur leurs ordinateurs portables, ils doivent déterminer rapidement quel est le problème.

« Une heure d'arrêt équivaut à des milliers de dollars de temps d'observation perdu », déclare Keith Vanderlinde, l'un des deux hivers de 2008. “Il y a toujours des petites choses. Un ventilateur se brisera parce qu'il sèche tellement là-bas que toute la lubrification s'en va. Et puis l'ordinateur surchauffera et s'éteindra, et tout à coup, nous sommes en panne et nous n'avons aucune idée de pourquoi. À ce stade, l'environnement peut ne pas sembler si « bénin » après tout. Aucun vol ne va vers ou depuis le pôle Sud de mars à octobre (l'huile moteur d'un avion gélatiniserait), donc si l'hiver ne peut pas réparer ce qui est cassé, il reste cassé, ce qui n'est pas encore arrivé.

Plus que la plupart des sciences, l'astronomie dépend du sens de la vue avant que les astronomes puissent réimaginer l'univers dans son ensemble, ils doivent d'abord comprendre comment percevoir les parties sombres. Savoir ce qu'est la matière noire aiderait les scientifiques à réfléchir à la formation de la structure de l'univers. Savoir ce que fait l'énergie noire aiderait les scientifiques à réfléchir à la façon dont cette structure a évolué au fil du temps et à la façon dont elle continuera d'évoluer.

Les scientifiques ont quelques candidats pour la composition de particules hypothétiques de matière noire appelées neutralinos et axions. Pour l'énergie noire, cependant, le défi n'est pas de comprendre ce que c'est mais à quoi ça ressemble. En particulier, les astronomes veulent savoir si l'énergie noire change dans l'espace et dans le temps, ou si elle est constante. Une façon de l'étudier est de mesurer les oscillations acoustiques dites baryoniques. Lorsque l'univers n'en était qu'à ses balbutiements, à peine 379 000 ans, il s'est suffisamment refroidi pour que les baryons (particules faites de protons et de neutrons) se séparent des photons (paquets de lumière). Cette séparation a laissé derrière elle une empreinte appelée le fond cosmique micro-ondes qui peut encore être détectée aujourd'hui. Il comprend des ondes sonores (“oscillations acoustiques”) qui ont traversé l'univers infantile. Les pics de ces oscillations représentent des régions légèrement plus denses que le reste de l'univers. Et parce que la matière attire la matière par gravité, ces régions sont devenues encore plus denses à mesure que l'univers vieillissait, se fusionnant d'abord en galaxies, puis en amas de galaxies. Si les astronomes comparent les oscillations du fond diffus cosmologique d'origine avec la distribution des galaxies à différentes étapes de l'histoire de l'univers, ils peuvent mesurer le taux d'expansion de l'univers.

Une autre approche pour définir l'énergie noire implique une méthode appelée lentille gravitationnelle. Selon la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, un faisceau de lumière voyageant dans l'espace semble se plier à cause de l'attraction gravitationnelle de la matière. (En fait, c'est l'espace lui-même qui se plie, et la lumière va juste pour le trajet.) Si deux amas de galaxies se trouvent le long d'une même ligne de mire, l'amas de premier plan agira comme une lentille qui déforme la lumière provenant de l'amas d'arrière-plan . Cette distorsion peut indiquer aux astronomes la masse de l'amas de premier plan. En échantillonnant des millions de galaxies dans différentes parties de l'univers, les astronomes devraient être en mesure d'estimer la vitesse à laquelle les galaxies se sont regroupées en amas au fil du temps, et cette vitesse leur dira à quelle vitesse l'univers s'est étendu à différents moments de son histoire.

Le télescope du pôle Sud utilise une troisième technique, appelée effet Sunyaev-Zel’dovich, du nom de deux physiciens soviétiques, qui s'appuie sur le fond diffus cosmologique. Si un photon de ce dernier interagit avec du gaz chaud dans un amas, il subit une légère augmentation d'énergie. La détection de cette énergie permet aux astronomes de cartographier ces amas et de mesurer l'influence de l'énergie noire sur leur croissance tout au long de l'histoire de l'univers. C'est du moins l'espoir. “Beaucoup de gens dans la communauté ont développé ce que je pense être un scepticisme sain. Ils disent : « C'est super, mais montrez-nous l'argent », dit Holzapfel. “Et je pense que d'ici un an ou deux, nous serons en mesure de le faire.”

L'équipe du SPT se concentre sur les amas de galaxies, car ce sont les plus grandes structures de l'univers, souvent constituées de centaines de galaxies, elles ont un million de milliards de fois la masse du Soleil. Alors que l'énergie noire pousse l'univers à s'étendre, les amas de galaxies auront plus de mal à se développer. Ils deviendront plus éloignés les uns des autres, et l'univers deviendra plus froid et plus solitaire.

Les amas de galaxies "sont un peu comme des canaris dans une mine de charbon en termes de formation de structure", explique Holzapfel. Si la densité de la matière noire ou les propriétés de l'énergie noire devaient changer, l'abondance des amas serait la première chose à être modifiée. Le télescope du pôle Sud devrait être capable de suivre les amas de galaxies au fil du temps. “Vous pouvez dire, ‘Il y a tant de milliards d'années, combien y avait-il d'amas et combien y en a-t-il maintenant ?’” dit Holzapfel. “Et ensuite, comparez-les à vos prédictions.”

Pourtant, toutes ces méthodes viennent avec une mise en garde. Ils supposent que nous comprenons suffisamment la gravité, qui n'est pas seulement la force qui s'oppose à l'énergie noire, mais qui a été le fondement même de la physique au cours des quatre derniers siècles.

Vingt fois par seconde, un laser haut dans les montagnes de Sacramento au Nouveau-Mexique vise une impulsion de lumière sur la Lune, à 239 000 miles de là. La cible du faisceau est l'un des trois réflecteurs de la taille d'une valise que les astronautes d'Apollo ont plantés sur la surface lunaire il y a quatre décennies. Les photons du faisceau rebondissent sur le miroir et retournent au Nouveau-Mexique. Temps de trajet aller-retour total : 2,5 secondes, plus ou moins.

Cela "plus ou moins" fait toute la différence. En chronométrant le voyage à la vitesse de la lumière, les chercheurs de l'opération de télémétrie laser lunaire de l'observatoire Apache Point (APOLLO) peuvent mesurer la distance Terre-Lune d'un instant à l'autre et cartographier l'orbite de la Lune avec une précision exquise. Comme dans l'histoire apocryphe de Galilée laissant tomber des boules de la tour penchée de Pise pour tester l'universalité de la chute libre, APOLLO traite la Terre et la Lune comme deux boules tombant dans le champ gravitationnel du Soleil. Mario Livio, astrophysicien au Space Telescope Science Institute de Baltimore, appelle cela une "expérience absolument incroyable". Si l'orbite de la Lune présente le moindre écart par rapport aux prédictions d'Einstein, les scientifiques devront peut-être repenser ses équations. #8212et peut-être même l'existence de la matière noire et de l'énergie noire.

"Jusqu'à présent, Einstein tient bon", déclare l'un des principaux observateurs d'APOLLO, l'astronome Russet McMillan, alors que son projet de cinq ans dépasse la mi-parcours.

Même si Einstein ne tenait pas, les chercheurs devraient d'abord éliminer d'autres possibilités, comme une erreur dans la mesure de la masse de la Terre, de la Lune ou du Soleil, avant d'admettre que la relativité générale nécessite un correctif. Même ainsi, les astronomes savent qu'ils tiennent la gravité pour acquise à leurs risques et périls. Ils ont déduit l'existence de la matière noire en raison de ses effets gravitationnels sur les galaxies, et l'existence de l'énergie noire en raison de ses effets anti-gravitationnels sur l'expansion de l'univers.Que se passe-t-il si l'hypothèse sous-jacente à ces inférences jumelles, selon laquelle nous savons comment fonctionne la gravité, est fausse ? Une théorie de l'univers encore plus farfelue qu'une théorie de la matière noire et de l'énergie noire peut-elle expliquer la preuve ? Pour le savoir, les scientifiques testent la gravité non seulement à travers l'univers, mais aussi sur la table. Jusqu'à récemment, les physiciens n'avaient pas mesuré la gravité à des distances extrêmement proches.

« Étonnamment, n'est-ce pas ? », déclare Eric Adelberger, coordinateur de plusieurs expériences de gravité qui se déroulent dans un laboratoire de l'Université de Washington, à Seattle. « Mais il ne serait pas étonnant que vous essayiez de le faire si vous essayiez de tester la gravité à des distances inférieures à un millimètre. Tester la gravité ne consiste pas simplement à rapprocher deux objets et à mesurer l'attraction entre eux. Toutes sortes d'autres choses peuvent exercer une influence gravitationnelle.

« Il y a du métal ici », dit Adelberger en désignant un instrument à proximité. « Il y a une colline ici » ondulant vers un certain point au-delà du mur de béton qui entoure le laboratoire. "Il y a un lac là-bas. Il y a aussi le niveau de la nappe phréatique dans le sol, qui change à chaque fois qu'il pleut. Ensuite, il y a la rotation de la Terre, la position du Soleil, la matière noire au cœur de notre galaxie.

Au cours de la dernière décennie, l'équipe de Seattle a mesuré l'attraction gravitationnelle entre deux objets à des distances de plus en plus petites, jusqu'à 56 microns (ou 1/500 de pouce), juste pour s'assurer que les équations d'Einstein pour la gravité sont vraies à la les distances les plus courtes aussi. Jusqu'à présent, ils le font.

Mais même Einstein a reconnu que sa théorie de la relativité générale n'expliquait pas entièrement l'univers. Il a passé les 30 dernières années de sa vie à essayer de concilier sa physique du très grand avec la physique du très petit et la mécanique quantique. Il a échoué.

Les théoriciens ont imaginé toutes sortes de possibilités pour tenter de réconcilier la relativité générale avec la mécanique quantique : univers parallèles, univers en collision, univers bulles, univers avec des dimensions supplémentaires, univers qui se reproduisent éternellement, univers qui rebondissent du Big Bang au Big Crunch au Big Claquer.

Adam Riess, un astronome qui a collaboré avec Brian Schmidt sur la découverte de l'énergie noire, dit qu'il regarde tous les jours un site Internet (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph) où les scientifiques publient leurs analyses pour voir quelles sont les nouvelles idées. là-bas. "La plupart d'entre eux sont assez dingues", dit-il. “Mais il est possible que quelqu'un présente une théorie profonde.”

Malgré tous ses progrès, l'astronomie s'est avérée avoir été soumise à une hypothèse incorrecte, bien que raisonnable : ce que vous voyez est ce que vous obtenez. Maintenant, les astronomes doivent s'adapter à l'idée que l'univers n'est pas l'étoffe de nous dans le grand schéma des choses, notre espèce et notre planète et notre galaxie et tout ce que nous avons jamais vu le sont, comme le sont le physicien théoricien Lawrence Krauss de l'Arizona State University. a dit, “un peu de pollution.”

Pourtant, les cosmologistes ont tendance à ne pas se décourager. « Les problèmes vraiment difficiles sont formidables », déclare Michael Turner, « car nous savons qu'ils nécessiteront une nouvelle idée folle. » Comme l'a déclaré Andreas Albrecht, cosmologiste à l'Université de Californie à Davis, lors d'une conférence de presse. conférence récente sur l'énergie noire : « Si vous me présentez la chronologie de l'histoire des sciences et que je peux choisir n'importe quel moment et domaine, c'est là que je veux être. »

Richard Panek a écrit sur Einstein pour Smithsonian en 2005. Son livre sur la matière noire et l'énergie noire paraîtra en 2011.