Avec la mécanique quantique, la relativité générale est l'un des monuments de la physique théorique du XXe siècle. Elle a été formulée en 1915 par Albert Einstein qui l'a découverte sur des bases presque purement conceptuelles et mathématiques. À l'occasion de la Fête de la science, nous vous proposons de (re)découvrir des articles et des dossiers que Futura-Sciences a consacrés à la théorie de la relativité et à ses implications en astrophysique et cosmologie.
Le 08/10/2015 à 15:46 - Laurent Sacco, Futura-Sciences
Un extrait exclusif pour Futura-Sciences du film Le Grand Tout. Après avoir parcouru 50.000 années-lumière dans la Galaxie presque à la vitesse de la lumière, les héros s'approchent de Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée, à environ 25.000 années-lumière de la Terre. Ils subiront un effet relativiste de dilatation des durées encore plus important en utilisant ses jets de particules pour encore augmenter leur vitesse. © Ombres production
Tout au long du mois de novembre 1915, et selon ses propres mots,
\n"La Science sans la religion est boiteuse ; la religion sans la...","url":"magazines\/matiere\/infos\/personnalites\/d\/physique-albert-einstein-205\/","contentid":"205","cropped":true,"imagetag":"
\nL'expression de la force vaut :
\n
\n* F : norme de la force de gravitation ;* G : constante gravitationnelle ; * m1 et m2 : masses des 2 corps consid\u00e9r\u00e9s ;* d : distance s\u00e9parant les 2 corps.","url":"magazines\/matiere\/infos\/dico\/d\/physique-gravitation-3573\/","contentid":"3573","cropped":false,"imagetag":"","matchindex":"\u221ee3834c669274ffa1687f7ea44599327c\u221e","matchcontent":"gravitation"}" fs:xt:clickname="clic-content::definition::3573-Gravitation" fs:xt:clicktype="N" href="http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-gravitation-3573/" style="background-image: url(http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/systeme/design/Images/Systeme/IconesLiens/glossaire.png); background-position: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; border-color: rgb(115, 56, 195); color: #7338c3; padding-right: 11px; text-decoration: none;">gravitation ainsi que du célèbre système d’équations reliant la courbure et la dynamique de la géométrie de l’espace-temps aux distributions d’impulsions et d’énergie qu’il contient. Le mois de novembre 2015 est par conséquent considéré comme le mois de naissance de la théorie de la
\nElle apporte cependant de plus une nouvelle conception de l'espace et du temps, dans laquelle la gravitation devient une propri\u00e9t\u00e9 g\u00e9om\u00e9trique de...","url":"magazines\/matiere\/infos\/dico\/d\/physique-relativite-generale-3572\/","contentid":"3572","cropped":true,"imagetag":"","matchindex":"\u221e7046b1b563a1911d56f46a0f631fb354\u221e","matchcontent":"relativit\u00e9 g\u00e9n\u00e9rale"}" fs:xt:clickname="clic-content::definition::3572-Relativite-generale" fs:xt:clicktype="N" href="http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-relativite-generale-3572/" style="background-image: url(http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/systeme/design/Images/Systeme/IconesLiens/glossaire.png); background-position: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; border-color: rgb(115, 56, 195); color: #7338c3; padding-right: 11px; text-decoration: none;">relativité générale d’Einstein. Le centenaire de cette théorie a donc été fêté lors de nombreux colloques internationaux et le sera encore tout au long de cette année qui est aussi l’année internationale de sciences de la ","matchindex":"\u221e5a9809e8fef360ca6fda623449e66eeb\u221e","matchcontent":"lumi\u00e8re"}" fs:xt:clickname="clic-content::definition::326-Lumiere" fs:xt:clicktype="N" href="http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/" style="background-image: url(http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/systeme/design/Images/Systeme/IconesLiens/glossaire.png); background-position: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; border-color: rgb(115, 56, 195); color: #7338c3; padding-right: 11px; text-decoration: none;">lumière.Futura-Sciences célèbre aussi cet anniversaire qui a permis à l’humanité de pénétrer dans le monde de l’espace-temps, plat lors de la découverte de la théorie de la relativité restreinte en 1905, puis courbe. Il faudra des dizaines d’années et le travail conjoint des physiciens théoriciens et des mathématiciens pour explorer le contenu des équations de la théorie d’Einstein. Ce ne sera finalement qu’à partir des années 1960 que l’on commencera vraiment à pouvoir confronter ce contenu à des expériences et des observations. Aujourd’hui ","matchindex":"\u221ec2fe2b9fa9b2ccc38a2684d32e28bee1\u221e","matchcontent":"\u00e9toile \u00e0 neutrons"}" fs:xt:clickname="clic-content::definition::32-Etoile-a-Neutrons" fs:xt:clicktype="N" href="http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dico/d/univers-etoile-neutrons-32/" style="background-image: url(http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/systeme/design/Images/Systeme/IconesLiens/glossaire.png); background-position: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; border-color: rgb(115, 56, 195); color: #7338c3; padding-right: 11px; text-decoration: none;">étoile à neutrons, ","matchindex":"\u221e9ff0a520b0e3ef7eebe5257dbbbab27e\u221e","matchcontent":"trous noirs"}" fs:xt:clickname="clic-content::definition::62-Trou-noir" fs:xt:clicktype="N" href="http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dico/d/univers-trou-noir-62/" style="background-image: url(http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/systeme/design/Images/Systeme/IconesLiens/glossaire.png); background-position: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; border-color: rgb(115, 56, 195); color: #7338c3; padding-right: 11px; text-decoration: none;">trous noirs, cosmologie relativiste et ondes gravitationnelles sont souvent sur le devant de la scène et Futura-Sciences a consacré de nombreux dossiers et articles à ces questions fascinantes. Nous vous proposons d’en (re)découvrir quelques-uns à l’occasion de la Fête de la science 2015.
En arrière-plan de cette photo d'Einstein, sont visibles des extraits de ses notes manuscrites sur une tentative de généralisation de sa théorie de la gravitation. Il espérait découvrir une théorie unitaire des forces et de la matière par ce moyen. Cet idéal occupe toujours les physiciens théoriciens. © 2015, American Institute of Physics
L'espace-temps et sa géométrie
La théorie de la relativité restreinte d’Einstein prend profondément racine dans la théorie électromagnétique de la lumière. Comme l’a expliqué Einstein dans une série de quatre conférences qu’il a données en 1921 à l'université de Princeton, les ondes lumineuses fournissent naturellement des moyens précis d’effectuer des mesures de longueurs, de ","matchindex":"\u221e1983459933fe08c402c3f3125c003557\u221e","matchcontent":"dur\u00e9es"}" fs:xt:clickname="clic-content::definition::14966-Duree" fs:xt:clicktype="N" href="http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-duree-14966/" style="background-image: url(http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/systeme/design/Images/Systeme/IconesLiens/glossaire.png); background-position: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; border-color: rgb(115, 56, 195); color: #7338c3; padding-right: 11px; text-decoration: none;">durées et donc de vitesses. Ceci explique pourquoi elles ont été le révélateur expérimental – par exemple avec l’expérience de Michelson et Morley – aussi bien que théorique de l’existence d’une vitesse finie pour tous les phénomènes dans l’univers ainsi que de l’étonnante\nLes polym\u00e8res thermoplastiques pr\u00e9sentent presque tous une plasticit\u00e9 importante.
\nEn effet, lorsque l'on applique une contrainte donn\u00e9e sur...","url":"magazines\/matiere\/infos\/dico\/d\/physique-plasticite-2092\/","contentid":"2092","cropped":true,"imagetag":"","matchindex":"\u221ef181862ab88d20a0f37cde6ea8bf7610\u221e","matchcontent":"plasticit\u00e9"}" fs:xt:clickname="clic-content::definition::2092-Plasticite" fs:xt:clicktype="N" href="http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-plasticite-2092/" style="background-image: url(http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/systeme/design/Images/Systeme/IconesLiens/glossaire.png); background-position: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; border-color: rgb(115, 56, 195); color: #7338c3; padding-right: 11px; text-decoration: none;">plasticité du temps qui conduit à la frappante dilatation des durées. La fameuse formule de l’équivalence entre la masse et l’énergie est bien sûr une autre conséquence de cette vitesse limite et de l’exigence de l’invariance des lois de la nature pour des observateurs en mouvements à vitesses constantes les uns par rapport aux autres.
Un documentaire en deux parties pour entrer en douceur dans le monde de l'espace-temps d'Einstein avec la dilatation des durées et la contraction des longueurs. © Jean-Pierre Luminet, YouTubeL’existence d’une vitesse limite indépassable, égale à celle de la lumière dans le vide pour tous les objets (électrons ou
\nLe nom photon vient du grec et signifie \"lumi\u00e8re\". En effet, le photon transmet l'interaction \u00e9lectromagn\u00e9tique, la lumi\u00e8re \u00e9tant un exemple d'onde \u00e9lectromagn\u00e9tique.","url":"magazines\/matiere\/infos\/dico\/d\/physique-photon-3500\/","contentid":"3500","cropped":false,"imagetag":"","matchindex":"\u221ed7ec7460525ea9fea59f9db1de714373\u221e","matchcontent":"photons"}" fs:xt:clickname="clic-content::definition::3500-Photon" fs:xt:clicktype="N" href="http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-photon-3500/" style="background-image: url(http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/systeme/design/Images/Systeme/IconesLiens/glossaire.png); background-position: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; border-color: rgb(115, 56, 195); color: #7338c3; padding-right: 11px; text-decoration: none;">photons par exemple) dans toutes les directions et pour tous les observateurs en mouvements, a fait l’objet de nombreux tests de plus en plus précis depuis sa découverte par Einstein et il en est de même pour la dilatation des durées. On a pensé un moment avoir trouvé une exception à ce postulat de la théorie de la relativité restreinte avec des faisceaux de neutrinos transluminiques. Mais, comme on le sait, l’expérience réalisée avec le détecteur ","matchindex":"\u221e2da269ca920f9398b00acca41a8d4549\u221e","matchcontent":"Opera"}" fs:xt:clickname="clic-content::autre::419-Opera" fs:xt:clicktype="N" href="http://www.futura-sciences.com/services/telechargements/d/navigateurs-opera-419/" style="background-image: url(http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/systeme/design/Images/Systeme/IconesLiens/logiciel.png); background-position: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; border-color: rgb(115, 56, 195); color: #7338c3; padding-right: 15px; text-decoration: none;">Opera comportait une erreur. On ne sait pas cependant si, derrière le fameuxparadoxe EPR mettant en jeu l’intrication quantique, se cache la propagation d’un signal allant beaucoup plus vite que la lumière.
- Un test cent millions de fois plus précis pour la relativité !
- Relativité : la dilatation du temps observée directement au laboratoire
- Paradoxe EPR : des signaux plus rapides que la lumière ?
Parce que l'espace-temps est courbé par la matière et l'énergie, il est à l'origine de la force de gravitation qui dévie les trajectoires des corps célestes et des rayons lumineux. La théorie des trous noirs repose grandement sur les modifications du comportement d'un réseau de rayons lumineux impliqués par les équations de la relativité générale. Il existe aussi des mirages gravitationnels (visibles à 20:00 sur cette vidéo) générés par la courbure de l'espace-temps, comme l'explique cette seconde partie du documentaire. On y parle des ondes gravitationnelles et de l'aspect d'un disque d'accrétion entourant un trou noir (23:00). © Jean-Pierre Luminet, YoutubeDéjà dans son article de 1905, Einstein avait fait remarquer que sa théorie reposait sur l’existence d’un groupe de transformations reliant les coordonnées d’espace et de temps des événements d’une façon nouvelle. Pour des mathématiciens comme Felix Klein et surtout Hermann Minkowski, l’existence de ce groupe impliquait celle d’une nouvelle géométrie, celle de l’espace-temps, dans laquelle des analogues des rotations dans l’espace mélangeaient les axes d’espace et de temps.Pour ces mathématiciens du début du XXe siècle, la géométrie était aussi une affaire d’algèbre, plus précisément une question de théorie des invariants. Il s’agit d’une puissante théorie permettant de trouver tous les théorèmes de géométrie associés à des ensembles d’équations polynomiales décrivant des assemblages de courbes et de surfaces dans des espaces à N dimensions (voir à ce sujet les excellentes introductions à ces théories données par Klein et Dudley Ernest Littlewood qui permettent de bien comprendre les conférences d’Einstein à Princeton).Cette géométrie algébrique, jointe au calcul infinitésimal, avait permis en particulier à Tullio Levi-Civita de développer la théorie générale des espaces courbes esquissée par
\nBernhard Riemann est un math\u00e9maticien allemand \u00e0 qui l'on doit notamment des innovations majeures en g\u00e9om\u00e9trie. Ses travaux se sont r\u00e9v\u00e9l\u00e9s d'une f\u00e9condit\u00e9 insoup\u00e7onn\u00e9e lorsque Einstein les a repris pour fonder sa th\u00e9orie de la relativit\u00e9...","url":"magazines\/matiere\/infos\/personnalites\/d\/matiere-bernhard-riemann-252\/","contentid":"252","cropped":true,"imagetag":"
\nIsaac Newton a observ\u00e9 que la somme des forces agissant sur un objet est proportionnelle \u00e0 sa masse et \u00e0 sa vitesse d\u2019acc\u00e9l\u00e9ration. Cet \u00e9minent scientifique a donn\u00e9 son nom \u00e0 l\u2019unit\u00e9 de valeur du syst\u00e8me international : 1 N est la force n\u00e9cessaire pour imprimer \u00e0 un objet de 1 kg une acc\u00e9l\u00e9ration de 1 m\/s\u00b2.","url":"magazines\/matiere\/infos\/dico\/d\/physique-newton-360\/","contentid":"360","cropped":false,"imagetag":"","matchindex":"\u221e0634804d47b54105f601a42520c40979\u221e","matchcontent":"Newton"}" fs:xt:clickname="clic-content::definition::360-Newton" fs:xt:clicktype="N" href="http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-newton-360/" style="background-image: url(http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/systeme/design/Images/Systeme/IconesLiens/glossaire.png); background-position: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; border-color: rgb(115, 56, 195); color: #7338c3; padding-right: 11px; text-decoration: none;">Newton impliquait que cette force universelle devait se propager au moins 10 millions de fois plus vite que la lumière. Il y avait donc un conflit avec un des postulats fondamentaux de la théorie de la relativité restreinte. Pour surmonter la contradiction, Einstein a finalement dû apprendre et comprendre les mathématiques du calcul tensoriel contenu dans la théorie des invariants et du calcul différentiel absolu.En effet, la théorie des invariants montre que les théorèmes de géométrie sont reliés à des quantités qui ne dépendent pas des systèmes de coordonnées utilisés et à des équations qui gardent une certaine forme sous l’action d’un groupe de transformations géométriques, des covariants et des contravariants selon le langage des mathématiciens. Si l’on postule que les lois de la nature sont les mêmes pour tous les observateurs quels que soient leur état de mouvement et les systèmes de coordonnées, on est naturellement conduit à chercher des équations qui sont des invariants et covariants de la géométrie de l’espace-temps. Le calcul différentiel absolu, qui fonctionne quelle que soit la géométrie et à N dimensions permet alors de trouver automatiquement ces lois.Il faudra plusieurs années à Einstein, de 1907 à 1915, et au prix d’un travail herculéen en compagnie de son ami le mathématicien Marcel Grossmann, pour atteindre ce but.Le lecteur l'aura compris, tant du point de vue conceptuel que mathématique, la théorie de la relativité, qu'elle soit restreinte ou générale, est un vaste sujet et c'est pourquoi Futura-Sciences a consacré deux dossiers aux fondements conceptuels des ces deux théories, à leur histoire et à leur développement depuis les travaux fondateurs d'Einstein :
- Relativité restreinte et naissance de l'espace-temps
- Relativité générale : comment l'espace-temps devint dynamique
Trous noirs et étoiles à neutrons, les astres relativistes
Karl Schwarzschild (1873-1916) était un brillant physicien et astrophysicien allemand. Il a trouvé la première solution exacte des équations relativistes du champ de gravitation décrivant une étoile simple, homogène, statique et à symétrie sphérique. Cette solution est à la base de la théorie moderne des trous noirs. On voit, à l'arrière plan, une image d'artiste d'un disque d'accrétion entourant un trou noir. © 2015, American Institute of PhysicsDès sa naissance, la théorie de la relativité générale d’Einstein permettait de comprendre uneanomalie du mouvement de la planète
\nChimie
\nLe mercure est un \u00e9l\u00e9ment m\u00e9tallique tr\u00e8s brillant de Num\u00e9ro atomique 80, de masse atomique 200,59, de densit\u00e9 13,6 liquide aux CNTP et dont le PF est \u00e0 -38,87 \u00b0C. Existe \u00e0 l'\u00e9tat naturel sous forme de...","url":"magazines\/espace\/infos\/dico\/d\/astronomie-mercure-3722\/","contentid":"3722","cropped":true,"imagetag":"
\nLe Soleil est l'\u00e9toile la plus proche de la Terre, dont elle est distante d'environ 150 millions de kilom\u00e8tres. Le Soleil est situ\u00e9 \u00e0 8,5 kparsecs du centre de la Voie lact\u00e9e. Dans la classification des \u00e9toiles, le soleil est une \u00e9toile de type G2.
\nLa masse...","url":"magazines\/espace\/infos\/dico\/d\/univers-soleil-3727\/","contentid":"3727","cropped":true,"imagetag":"
\nErwin Schr\u00f6dinger
\nErwin Schr\u00f6dinger \u00e9tait un enfant surdou\u00e9 d'origine autrichienne par son p\u00e8re et anglaise par sa m\u00e8re. Issu d'une famille ais\u00e9e, il fut \u00e9duqu\u00e9 par des tuteurs...","url":"magazines\/matiere\/infos\/personnalites\/d\/matiere-erwin-schrodinger-255\/","contentid":"255","cropped":true,"imagetag":"
- La première preuve de la relativité générale a 90 ans
- Trou noir, dossier introductif
- Un peu moins de mystères dans le cœur des étoiles à neutrons
- Du corps noir aux trous noirs
- Trous noirs : Stephen Hawking remet-il en cause leur existence ?
- Les sursauts radio rapides : des explosions d'étoiles de Planck ?
- L'énigme des quasars
- En vidéo : découvrez eLisa, la future mission d'astronomie gravitationnelle
Le Big Bang et la cosmologie relativiste
À gauche, Edwin Hubble, le découvreur de l'expansion de l'univers et, à droite, Albert Einstein avec l'abbé Lemaître. Il est juste de dire que Georges Lemaître a complètement dominé la cosmologie relativiste à ses débuts, anticipant bien des aspects du modèle standard actuel avec sa théorie de l'atome primitif, ses réflexions sur la constante cosmologique, la naissance des galaxies et la cosmologie quantique. © 2015, American Institute of PhysicsIl en est de même de nos jours avec le ","matchindex":"\u221ed0b610ea9f34150539ee748f0471659d\u221e","matchcontent":"mod\u00e8le standard"}" fs:xt:clickname="clic-content::definition::3850-Modele-standard" fs:xt:clicktype="N" href="http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dico/d/univers-modele-standard-3850/" style="background-image: url(http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/systeme/design/Images/Systeme/IconesLiens/glossaire.png); background-position: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; border-color: rgb(115, 56, 195); color: #7338c3; padding-right: 11px; text-decoration: none;">modèle standard de la cosmologie relativiste qui sert de base à la théorie du Big Bang. Il repose solidement sur la théorie de la nucléosynthèseprimordiale et les mesures concernant le ","matchindex":"\u221ef874ef24b3c12c2895d07a749f83e6bb\u221e","matchcontent":"rayonnement fossile"}" fs:xt:clickname="clic-content::definition::74-Rayonnement-fossile" fs:xt:clicktype="N" href="http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dico/d/univers-rayonnement-fossile-74/" style="background-image: url(http://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/systeme/design/Images/Systeme/IconesLiens/glossaire.png); background-position: 100% 100%; background-repeat: no-repeat; border-color: rgb(115, 56, 195); color: #7338c3; padding-right: 11px; text-decoration: none;">rayonnement fossile. Cela n'empêche pas les cosmologistes de tenter de dépasser ce modèle grâce à la théorie de l'inflation, laquelle conduit même à spéculer sur l'existence d'un multivers et d'un avant Big Bang. Futura-Sciences a consacré plusieurs articles et dossiers à ces questions.
- Du Big Bang au Vivant : rencontrez Jean-Pierre Luminet et Hubert Reeves
- La cosmologie, laboratoire pour l'infiniment petit
- Fête de la science : découvrez le rayonnement fossile
- Au-delà du Big Bang : balade en cosmologie
Soixante ans après sa mort et un siècle après sa découverte de la relativité générale, l'héritage d'Einstein est encore bien vivant. © InformiguelCarreño, Wikimeida Commons, CC by-sa 4.0http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/espace-temps-fete-science-theorie-relativite-generale-100-ans-59867/#xtor=EREC-49-%5BACQ%5D-20151009-%5BACTU-Fete-de-la-science-:-la-theorie-de-la-relativite-generale-a-100-ans%5D
Jeu de briques
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Pacman
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