La théorie de la relativité d'Einstein s'est avérée fausse

SRT, TOE - ces abréviations cachent le terme familier de « théorie de la relativité », familier à presque tout le monde. Dans un langage simple, tout peut s'expliquer, même la déclaration d'un génie, alors ne désespérez pas si vous ne vous souvenez pas de votre cours de physique à l'école, car en fait, tout est beaucoup plus simple qu'il n'y paraît.

L'origine de la théorie

Commençons donc le cours "La théorie de la relativité pour les nuls". Albert Einstein a publié ses travaux en 1905 et ils ont fait sensation parmi les scientifiques. Cette théorie a presque entièrement comblé de nombreuses lacunes et incohérences de la physique du siècle dernier, mais, par-dessus tout, elle a révolutionné l'idée d'espace et de temps. De nombreuses déclarations d'Einstein étaient difficiles à croire pour ses contemporains, mais les expériences et les recherches n'ont fait que confirmer les paroles du grand scientifique.

La théorie de la relativité d'Einstein expliquait en termes simples ce contre quoi les gens luttaient depuis des siècles. On peut dire que c’est la base de toute la physique moderne. Cependant, avant de poursuivre la conversation sur la théorie de la relativité, la question des termes doit être clarifiée. Beaucoup, en lisant des articles de vulgarisation scientifique, sont sûrement tombés sur deux abréviations : SRT et GTO. En fait, ils désignent plusieurs différentes notions. Le premier est théorie spéciale relativité, et le second signifie « théorie de la relativité générale ».

Juste quelque chose de compliqué

STR est une théorie plus ancienne, qui est ensuite devenue partie intégrante du GTR. Il ne peut qu'envisager processus physiques pour les objets se déplaçant à une vitesse uniforme. La théorie générale peut décrire ce qui arrive aux objets en accélération et également expliquer pourquoi les particules de graviton et la gravité existent.

Si vous avez besoin de décrire le mouvement ainsi que la relation entre l’espace et le temps à l’approche de la vitesse de la lumière, la théorie de la relativité restreinte peut le faire. En termes simples, cela peut s'expliquer comme suit : par exemple, des amis du futur vous ont offert un vaisseau spatial capable de voler à grande vitesse. Sur le nez du vaisseau spatial se trouve un canon capable de tirer des photons sur tout ce qui passe devant.

Lorsqu'un coup de feu est tiré, par rapport au vaisseau, ces particules volent à la vitesse de la lumière, mais, logiquement, un observateur stationnaire devrait voir la somme de deux vitesses (les photons eux-mêmes et le vaisseau). Mais rien de tel. L'observateur verra des photons se déplacer à une vitesse de 300 000 m/s, comme si la vitesse du navire était nulle.

Le fait est que quelle que soit la vitesse à laquelle un objet se déplace, la vitesse de la lumière est une valeur constante.

Cette déclaration est fondamentalement étonnante conclusions logiques comme ralentir et déformer le temps en fonction de la masse et de la vitesse de l'objet. Les intrigues de nombreux films et séries télévisées de science-fiction sont basées sur cela.

Théorie générale de la relativité

Dans un langage simple, on peut expliquer une relativité générale plus volumineuse. Pour commencer, nous devons prendre en compte le fait que notre espace est à quatre dimensions. Le temps et l’espace sont unis dans un « sujet » tel que le « continuum espace-temps ». Dans notre espace, il y a quatre axes de coordonnées : x, y, z et t.

Mais les humains ne peuvent pas percevoir directement les quatre dimensions, tout comme une hypothétique personne plate vivant dans un monde à deux dimensions ne peut pas lever les yeux. En fait, notre monde n’est qu’une projection d’un espace à quatre dimensions dans un espace à trois dimensions.

Un fait intéressant est que, selon la théorie de la relativité générale, les corps ne changent pas lorsqu’ils se déplacent. Les objets du monde à quatre dimensions sont en effet toujours inchangés, et lorsqu'ils bougent, seules leurs projections changent, ce que nous percevons comme une distorsion du temps, une réduction ou une augmentation de taille, etc.

Expérience d'ascenseur

La théorie de la relativité peut être expliquée en termes simples à l’aide d’une petite expérience de pensée. Imaginez que vous êtes dans un ascenseur. La cabine a commencé à bouger et vous vous êtes retrouvé en apesanteur. Ce qui s'est passé? Il peut y avoir deux raisons : soit l’ascenseur est dans l’espace, soit il est en chute libre sous l’influence de la gravité de la planète. La chose la plus intéressante est qu'il est impossible de découvrir la cause de l'apesanteur s'il n'est pas possible de regarder hors de la cabine d'ascenseur, c'est-à-dire que les deux processus se ressemblent.

Peut-être qu'après avoir mené une expérience de pensée similaire, Albert Einstein est arrivé à la conclusion que si ces deux situations sont indiscernables l'une de l'autre, alors en fait le corps sous l'influence de la gravité n'est pas accéléré, c'est un mouvement uniforme qui se courbe sous l'influence de la gravité. influence d'un corps massif (en dans ce cas planètes). Ainsi, le mouvement accéléré n’est qu’une projection d’un mouvement uniforme dans un espace tridimensionnel.

Un bon exemple

Un autre bon exemple sur le thème "La théorie de la relativité pour les nuls". Ce n’est pas tout à fait exact, mais c’est très simple et clair. Si vous posez un objet sur un tissu tendu, il forme une « déviation » ou un « entonnoir » en dessous. Tous les corps plus petits seront obligés de déformer leur trajectoire en fonction du nouveau virage de l'espace, et si le corps a peu d'énergie, il ne pourra pas du tout surmonter cet entonnoir. Cependant, du point de vue de l'objet en mouvement lui-même, la trajectoire reste droite ; il ne ressentira pas la courbure de l'espace.

La gravité "rétrogradée"

Avec l’avènement de la théorie générale de la relativité, la gravité a cessé d’être une force et se contente désormais d’être une simple conséquence de la courbure du temps et de l’espace. La relativité générale peut sembler fantastique, mais il s’agit d’une version fonctionnelle confirmée par des expériences.

La théorie de la relativité peut expliquer de nombreuses choses apparemment incroyables dans notre monde. En termes simples, de telles choses sont appelées conséquences de la relativité générale. Par exemple, les rayons lumineux volant à proximité de corps massifs sont courbés. De plus, de nombreux objets de l'espace lointain sont cachés les uns derrière les autres, mais du fait que les rayons de lumière se courbent autour d'autres corps, des objets apparemment invisibles sont accessibles à nos yeux (plus précisément aux yeux d'un télescope). C'est comme regarder à travers les murs.

Plus la gravité est grande, plus le temps s'écoule lentement à la surface d'un objet. Cela ne s’applique pas uniquement aux corps massifs comme les étoiles à neutrons ou les trous noirs. L’effet de la dilatation du temps peut être observé même sur Terre. Par exemple, les appareils de navigation par satellite sont équipés d’horloges atomiques très précises. Ils sont en orbite autour de notre planète et le temps y passe un peu plus vite. Les centièmes de seconde dans une journée totaliseront un chiffre qui donnera jusqu'à 10 km d'erreur dans les calculs d'itinéraires sur Terre. C'est la théorie de la relativité qui permet de calculer cette erreur.

En termes simples, nous pouvons le dire ainsi : la relativité générale est à la base de nombreuses technologies modernes, et grâce à Einstein, nous pouvons facilement trouver une pizzeria et une bibliothèque dans un quartier inconnu.

matériel du livre "A Brief History of Time" de Stephen Hawking et Leonard Mlodinow

Relativité

Le postulat fondamental d'Einstein, appelé principe de relativité, stipule que toutes les lois de la physique doivent être les mêmes pour tous les observateurs se déplaçant librement, quelle que soit leur vitesse. Si la vitesse de la lumière est constante, alors tout observateur en mouvement libre devrait enregistrer la même valeur quelle que soit la vitesse à laquelle il s'approche ou s'éloigne de la source lumineuse.

L’exigence que tous les observateurs soient d’accord sur la vitesse de la lumière impose un changement dans la notion de temps. Selon la théorie de la relativité, un observateur voyageant dans un train et un autre debout sur le quai auront une estimation différente de la distance parcourue par la lumière. Et comme la vitesse est la distance divisée par le temps, la seule façon pour les observateurs de s'entendre sur la vitesse de la lumière est de ne pas être également d'accord sur le temps. Autrement dit, la théorie de la relativité a mis fin à l’idée du temps absolu ! Il s’est avéré que chaque observateur doit avoir sa propre mesure du temps et que des horloges identiques pour différents observateurs n’afficheront pas nécessairement la même heure.

Lorsque nous disons que l'espace a trois dimensions, nous voulons dire que la position d'un point peut être transmise à l'aide de trois nombres - les coordonnées. Si nous introduisons le temps dans notre description, nous obtenons un espace-temps à quatre dimensions.

Une autre conséquence bien connue de la théorie de la relativité est l’équivalence de la masse et de l’énergie, exprimée par la célèbre équation d’Einstein E = mс 2 (où E est l’énergie, m la masse corporelle, c la vitesse de la lumière). En raison de l'équivalence de l'énergie et de la masse, l'énergie cinétique, qui objet matériel possède, du fait de son mouvement, augmente sa masse. En d’autres termes, l’objet devient plus difficile à accélérer.

Cet effet n'est significatif que pour les corps qui se déplacent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Par exemple, à une vitesse égale à 10 % de la vitesse de la lumière, la masse corporelle ne sera que de 0,5 % supérieure à celle au repos, mais à une vitesse égale à 90 % de la vitesse de la lumière, la masse sera plus de deux fois supérieure à celle au repos. le normal. À mesure qu’il s’approche de la vitesse de la lumière, la masse d’un corps augmente de plus en plus rapidement, de sorte qu’il faut de plus en plus d’énergie pour l’accélérer. Selon la théorie de la relativité, un objet ne peut jamais atteindre la vitesse de la lumière, car dans ce cas sa masse deviendrait infinie, et en raison de l'équivalence de la masse et de l'énergie, il faudrait pour cela une énergie infinie. C’est pourquoi la théorie de la relativité condamne à jamais tout corps ordinaire à se déplacer à une vitesse inférieure à celle de la lumière. Seules la lumière ou d’autres ondes sans masse propre peuvent se déplacer à la vitesse de la lumière.

Espace déformé

La théorie de la relativité générale d'Einstein repose sur l'hypothèse révolutionnaire selon laquelle la gravité n'est pas une force ordinaire, mais une conséquence du fait que l'espace-temps n'est pas plat, comme on le pensait auparavant. En relativité générale, l'espace-temps est courbé ou courbé par la masse et l'énergie qui y sont placées. Les corps comme la Terre se déplacent sur des orbites courbes sans être influencés par une force appelée gravité.

Puisque la ligne géodésique est ligne la plus courte entre deux aéroports, les navigateurs guident les avions exactement sur ces routes. Par exemple, vous pouvez suivre les indications de la boussole et parcourir les 5 966 ​​kilomètres reliant New York à Madrid presque plein est le long du parallèle géographique. Mais vous n'aurez à parcourir que 5 802 kilomètres si vous volez grand cercle, d'abord vers le nord-est, puis se tournant progressivement vers l'est puis vers le sud-est. Vue de ces deux itinéraires sur la carte, où la surface de la terre déformé (présenté à plat), trompeur. Lorsque vous vous déplacez « tout droit » vers l’est d’un point à un autre sur la surface du globe, vous ne vous déplacez pas réellement le long d’une ligne droite, ou plutôt le long de la ligne géodésique la plus courte.

Si la trajectoire d'un vaisseau spatial se déplaçant en ligne droite dans l'espace est projetée sur la surface bidimensionnelle de la Terre, il s'avère qu'elle est courbe.

Selon la relativité générale, les champs gravitationnels devraient courber la lumière. Par exemple, la théorie prédit que près du Soleil, les rayons lumineux devraient se diriger légèrement vers lui sous l’influence de la masse de l’étoile. Cela signifie que la lumière d'une étoile lointaine, si elle passe près du Soleil, s'écartera d'un petit angle, c'est pourquoi un observateur sur Terre ne verra l'étoile pas exactement là où elle se trouve réellement.

Rappelons que selon le postulat de base de la théorie de la relativité restreinte, toutes les lois physiques sont les mêmes pour tous les observateurs en mouvement libre, quelle que soit leur vitesse. En gros, le principe d'équivalence étend cette règle aux observateurs qui ne se déplacent pas librement, mais sous l'influence d'un champ gravitationnel.

Dans des régions suffisamment petites de l’espace, il est impossible de juger si vous êtes au repos dans un champ gravitationnel ou si vous vous déplacez avec une accélération constante dans l’espace vide.

Imaginez que vous êtes dans un ascenseur au milieu d'un espace vide. Il n’y a pas de gravité, pas de « haut » et de « bas ». Vous flottez librement. L'ascenseur commence alors à se déplacer avec une accélération constante. Vous ressentez soudain du poids. C'est-à-dire que vous êtes pressé contre l'un des murs de l'ascenseur, qui est désormais perçu comme le sol. Si vous ramassez une pomme et la lâchez, elle tombera par terre. En fait, maintenant que vous vous déplacez avec accélération, tout à l’intérieur de l’ascenseur se passera exactement de la même manière que si l’ascenseur ne bougeait pas du tout, mais était au repos dans un champ gravitationnel uniforme. Einstein s'est rendu compte que, tout comme lorsque vous êtes dans un wagon, vous ne pouvez pas savoir s'il est immobile ou s'il se déplace uniformément, de même, lorsque vous êtes à l'intérieur d'un ascenseur, vous ne pouvez pas savoir s'il se déplace avec une accélération constante ou s'il se déplace dans un champ gravitationnel uniforme. Le résultat de cette compréhension fut le principe d’équivalence.

Le principe d'équivalence et l'exemple donné de sa manifestation ne seront valables que si la masse inertielle (partie de la deuxième loi de Newton, qui détermine l'accélération qu'une force appliquée à un corps donne à un corps) et la masse gravitationnelle (partie de la loi de Newton de la gravité, qui détermine l'ampleur de l'attraction gravitationnelle) sont une seule et même chose.

L'utilisation par Einstein de l'équivalence des masses inertielles et gravitationnelles pour dériver le principe d'équivalence et, en fin de compte, l'ensemble de la théorie de la relativité générale est un exemple de développement persistant et cohérent de conclusions logiques sans précédent dans l'histoire de la pensée humaine.

Dilatation du temps

Une autre prédiction de la relativité générale est que le temps devrait ralentir à proximité de corps massifs comme la Terre.

Maintenant que nous connaissons le principe d'équivalence, nous pouvons suivre la pensée d'Einstein en réalisant une autre expérience de pensée qui montre pourquoi la gravité affecte le temps. Imaginez une fusée volant dans l'espace. Pour plus de commodité, nous supposerons que son corps est si grand qu'il faut une seconde entière à la lumière pour le parcourir de haut en bas. Supposons enfin qu'il y ait deux observateurs dans la fusée : l'un en haut, près du plafond, l'autre en bas, au sol, et tous deux sont équipés de la même horloge qui compte les secondes.

Supposons que l'observateur supérieur, après avoir attendu le décompte de son horloge, envoie immédiatement un signal lumineux à l'observateur inférieur. Au décompte suivant, il envoie un deuxième signal. Selon nos conditions, il faudra une seconde pour que chaque signal atteigne l'observateur inférieur. Puisque l’observateur supérieur envoie deux signaux lumineux à un intervalle d’une seconde, l’observateur inférieur les enregistrera également avec le même intervalle.

Qu’est-ce qui changerait si, dans cette expérience, au lieu de flotter librement dans l’espace, la fusée se trouvait sur Terre, subissant l’action de la gravité ? Selon la théorie de Newton, la gravité n'affectera en rien la situation : si l'observateur au-dessus transmet des signaux avec un intervalle d'une seconde, alors l'observateur en dessous les recevra au même intervalle. Mais le principe d'équivalence prédit un développement différent des événements. Lequel, nous pouvons comprendre si, conformément au principe d'équivalence, nous remplaçons mentalement l'action de la gravité par une accélération constante. Ceci est un exemple de la façon dont Einstein a utilisé le principe d’équivalence pour créer sa nouvelle théorie de la gravité.

Disons que notre fusée accélère. (Nous supposerons qu'elle accélère lentement, de sorte que sa vitesse n'approche pas la vitesse de la lumière.) Puisque le corps de la fusée se déplace vers le haut, le premier signal devra parcourir moins de distance qu'avant (avant le début de l'accélération), et il arrivera à l'observateur inférieur plus tôt qu'après, donnez-moi une seconde. Si la fusée se déplaçait à une vitesse constante, le deuxième signal arriverait exactement de la même manière plus tôt, de sorte que l'intervalle entre les deux signaux resterait égal à une seconde. Mais au moment de l'envoi du deuxième signal, en raison de l'accélération, la fusée se déplace plus vite qu'au moment de l'envoi du premier, donc le deuxième signal parcourra une distance plus courte que le premier et prendra encore moins de temps. L'observateur en bas, vérifiant sa montre, enregistrera que l'intervalle entre les signaux est inférieur à une seconde et ne sera pas d'accord avec l'observateur au-dessus, qui prétend qu'il a envoyé les signaux exactement une seconde plus tard.

Dans le cas d’une fusée en accélération, cet effet ne devrait probablement pas être particulièrement surprenant. Après tout, nous venons de l’expliquer ! Mais rappelez-vous : le principe d’équivalence dit que la même chose se produit lorsque la fusée est au repos dans un champ gravitationnel. Par conséquent, même si la fusée n'accélère pas, mais se trouve, par exemple, sur la rampe de lancement à la surface de la Terre, les signaux envoyés par l'observateur supérieur avec un intervalle d'une seconde (selon sa montre) arriveront au observateur inférieur avec un intervalle plus petit (selon sa montre) . C'est vraiment incroyable !

La gravité modifie l'écoulement du temps. Tout comme la relativité restreinte nous dit que le temps s'écoule différemment pour les observateurs se déplaçant les uns par rapport aux autres, la relativité générale nous dit que le temps s'écoule différemment pour les observateurs dans différents champs gravitationnels. Selon la relativité générale, l'observateur inférieur enregistre un intervalle plus court entre les signaux car le temps passe plus lentement à la surface de la Terre car la gravité y est plus forte. Plus le champ gravitationnel est fort, plus cet effet est important.

Notre horloge biologique réagit également aux changements au fil du temps. Si l’un des jumeaux vit au sommet d’une montagne et l’autre au bord de la mer, le premier vieillira plus vite que le second. Dans ce cas, la différence d'âge sera négligeable, mais elle augmentera considérablement dès que l'un des jumeaux entreprendra un long voyage dans un vaisseau spatial qui accélère à la vitesse de la lumière. Lorsque le vagabond reviendra, il sera beaucoup plus jeune que son frère resté sur Terre. Ce cas est connu sous le nom de paradoxe des jumeaux, mais ce n'est un paradoxe que pour ceux qui s'accrochent à l'idée du temps absolu. Dans la théorie de la relativité, il n’existe pas de temps absolu unique : chaque individu a sa propre mesure du temps, qui dépend de l’endroit où il se trouve et de la manière dont il se déplace.

Avec l'avènement des systèmes de navigation ultra-précis recevant les signaux des satellites, la différence de fréquence d'horloge à différentes altitudes a acquis une signification pratique. Si l'équipement ignorait les prédictions de la relativité générale, l'erreur dans la détermination de la localisation pourrait être de plusieurs kilomètres !

L’émergence de la théorie générale de la relativité a radicalement changé la donne. L'espace et le temps ont acquis le statut d'entités dynamiques. Lorsque des corps bougent ou que des forces agissent, ils provoquent la courbure de l’espace et du temps, et la structure de l’espace-temps, à son tour, affecte le mouvement des corps et l’action des forces. L’espace et le temps influencent non seulement tout ce qui se passe dans l’Univers, mais ils en dépendent eux-mêmes.

Imaginons un astronaute intrépide qui reste à la surface d'une étoile en train de s'effondrer lors d'une contraction catastrophique. À un moment donné, selon sa montre, disons à 11h00, l'étoile se rétrécira jusqu'à un rayon critique, au-delà duquel le champ gravitationnel s'intensifie tellement qu'il est impossible d'y échapper. Supposons maintenant que, selon les instructions, l'astronaute doive envoyer un signal toutes les secondes sur sa montre à un vaisseau spatial en orbite à une distance fixe du centre de l'étoile. Il commence à transmettre des signaux à 10 h 59 min 58 s, soit deux secondes avant 11 h 00. Que va enregistrer l’équipage à bord du vaisseau spatial ?

Auparavant, après avoir mené une expérience de réflexion sur la transmission de signaux lumineux à l'intérieur d'une fusée, nous étions convaincus que la gravité ralentissait le temps et que plus elle est forte, plus l'effet est important. Un astronaute à la surface d'une étoile se trouve dans un champ gravitationnel plus fort que ses collègues en orbite, donc une seconde sur sa montre durera plus longtemps qu'une seconde sur l'horloge du navire. À mesure que l'astronaute se déplace avec la surface vers le centre de l'étoile, le champ agissant sur lui devient de plus en plus fort, de sorte que les intervalles entre ses signaux reçus à bord du vaisseau spatial s'allongent constamment. Cette dilatation temporelle sera très légère jusqu'à 10:59:59, de sorte que pour les astronautes en orbite, l'intervalle entre les signaux transmis à 10:59:58 et à 10:59:59 sera d'un peu plus d'une seconde. Mais le signal envoyé à 11h00 ne sera plus reçu sur le navire.

Tout ce qui se passe à la surface de l'étoile entre 10 h 59 min 59 s et 11 h 00 sur l'horloge de l'astronaute s'étendra sur une période de temps infinie sur l'horloge du vaisseau spatial. À l'approche de 11 heures, les intervalles entre l'arrivée en orbite des crêtes et des creux successifs des ondes lumineuses émises par l'étoile deviendront de plus en plus longs ; la même chose se produira avec les intervalles de temps entre les signaux des astronautes. Puisque la fréquence du rayonnement est déterminée par le nombre de crêtes (ou de creux) arrivant par seconde, le vaisseau spatial enregistrera des fréquences de plus en plus basses du rayonnement de l'étoile. La lumière de l’étoile deviendra de plus en plus rouge et en même temps s’atténuera. Finalement, l'étoile deviendra si sombre qu'elle deviendra invisible pour les observateurs à bord du vaisseau spatial ; il ne restera plus qu'un trou noir dans l'espace. Cependant, l'effet de la gravité des étoiles sur vaisseau spatial restera et il continuera à orbiter.

On dit qu'Albert Einstein a eu une révélation en un instant. Le scientifique aurait pris le tramway à Berne (Suisse), aurait regardé l'horloge de la rue et se serait soudain rendu compte que si le tramway accélérait maintenant jusqu'à la vitesse de la lumière, alors, selon sa perception, cette horloge s'arrêterait - et il n'y aurait plus d'heure. Cela l'a amené à formuler l'un des postulats centraux de la relativité : selon lequel différents observateurs perçoivent différemment la réalité, y compris des quantités aussi fondamentales que la distance et le temps.

Scientifiquement parlant, ce jour-là, Einstein réalisa que la description de tout événement ou phénomène physique dépend de systèmes de référence, dans lequel se trouve l'observateur. Si un passager du tramway, par exemple, laisse tomber ses lunettes, alors pour elle, elles tomberont verticalement, et pour un piéton debout dans la rue, les lunettes tomberont en parabole, puisque le tramway bouge pendant que les lunettes tombent. Chacun a son propre cadre de référence.

Mais même si les descriptions des événements changent lorsqu’on passe d’un cadre de référence à un autre, il existe aussi des choses universelles qui restent inchangées. Si, au lieu de décrire la chute de lunettes, nous posons une question sur la loi de la nature qui provoque leur chute, alors la réponse sera la même pour un observateur dans un système de coordonnées stationnaire et pour un observateur dans un système de coordonnées en mouvement. système. La loi du mouvement distribué s'applique aussi bien dans la rue que dans le tramway. En d’autres termes, si la description des événements dépend de l’observateur, les lois de la nature ne dépendent pas de lui, c’est-à-dire que, comme on le dit communément dans le langage scientifique, elles sont invariant. Voilà de quoi il s'agit principe de relativité.

Comme toute hypothèse, le principe de relativité devait être testé en le corrélant avec des phénomènes naturels réels. Du principe de relativité, Einstein a dérivé deux théories distinctes (bien que liées). Théorie spéciale ou particulière de la relativité vient de la position selon laquelle les lois de la nature sont les mêmes pour tous les systèmes de référence se déplaçant à vitesse constante. Théorie générale de la relativitéétend ce principe à n’importe quel cadre de référence, y compris ceux qui se déplacent avec accélération. La théorie de la relativité restreinte a été publiée en 1905 et la théorie de la relativité générale, plus complexe mathématiquement, a été achevée par Einstein en 1916.

Théorie spéciale de la relativité

La plupart des effets paradoxaux et contre-intuitifs qui surviennent lors de déplacements à des vitesses proches de la vitesse de la lumière sont prédits par la théorie de la relativité restreinte. Le plus célèbre d’entre eux est l’effet du ralentissement de l’horloge, ou effet de dilatation du temps. Une horloge se déplaçant par rapport à un observateur va plus lentement pour lui que la même horloge dans ses mains.

Le temps dans un système de coordonnées se déplaçant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière par rapport à l'observateur est étiré, et l'étendue spatiale (longueur) des objets le long de l'axe de la direction du mouvement est, au contraire, compressée. Cet effet, connu sous le nom Contraction de Lorentz-Fitzgerald, a été décrit en 1889 par le physicien irlandais George Fitzgerald (1851-1901) et développé en 1892 par le Néerlandais Hendrick Lorentz (1853-1928). La réduction de Lorentz-Fitzgerald explique pourquoi l'expérience de Michelson-Morley visant à déterminer la vitesse de déplacement de la Terre dans l'espace en mesurant le « vent d'éther » a donné un résultat négatif. Einstein a ensuite inclus ces équations dans la théorie restreinte de la relativité et les a complétées par une formule de conversion de masse similaire, selon laquelle la masse d'un corps augmente également à mesure que la vitesse du corps se rapproche de la vitesse de la lumière. Ainsi, à une vitesse de 260 000 km/s (87 % de la vitesse de la lumière), la masse de l'objet du point de vue d'un observateur situé dans un référentiel au repos va doubler.

Depuis l’époque d’Einstein, toutes ces prédictions, aussi contraires au bon sens qu’elles puissent paraître, ont trouvé une confirmation expérimentale complète et directe. Dans l'une des expériences les plus révélatrices, des scientifiques de l'Université du Michigan ont placé des horloges atomiques ultra-précises à bord d'un avion de ligne effectuant des vols transatlantiques réguliers, et après chaque retour à son aéroport d'origine, ils ont comparé leurs lectures avec l'horloge de contrôle. Il s'est avéré que l'horloge de l'avion était de plus en plus en retard sur l'horloge de contrôle (pour ainsi dire, quand nous parlons de fractions de seconde). Depuis un demi-siècle, les scientifiques étudient les particules élémentaires à l’aide d’énormes complexes matériels appelés accélérateurs. Dans ceux-ci, des faisceaux de particules subatomiques chargées (telles que des protons et des électrons) sont accélérés à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, puis tirés sur diverses cibles nucléaires. Dans de telles expériences sur les accélérateurs, il est nécessaire de prendre en compte l'augmentation de la masse des particules accélérées - sinon les résultats de l'expérience ne se prêteront tout simplement pas à une interprétation raisonnable. Et en ce sens, la théorie de la relativité restreinte est depuis longtemps passée de la catégorie des théories hypothétiques au domaine des outils d’ingénierie appliquée, où elle est utilisée au même titre que les lois mécaniques de Newton.

Revenant aux lois de Newton, je voudrais surtout noter que la théorie de la relativité restreinte, bien qu'elle contredise extérieurement les lois de la mécanique newtonienne classique, reproduit en fait presque exactement toutes les équations habituelles des lois de Newton, si elle est appliquée pour décrire des corps en mouvement. à des vitesses nettement inférieures à la vitesse de la lumière. Autrement dit, la théorie de la relativité restreinte n’annule pas la physique newtonienne, mais l’étend et la complète.

Le principe de relativité aide également à comprendre pourquoi c'est la vitesse de la lumière, et pas une autre, qui joue un rôle si important dans ce modèle de la structure du monde - c'est une question posée par beaucoup de ceux qui ont rencontré pour la première fois le théorie de la relativité. La vitesse de la lumière se démarque et joue rôle spécial une constante universelle, car elle est déterminée par la loi des sciences naturelles. En raison du principe de relativité, la vitesse de la lumière dans le vide c est le même dans n’importe quel système de référence. Cela semble contredire le bon sens, puisqu'il s'avère que la lumière provenant d'une source en mouvement (peu importe la vitesse à laquelle elle se déplace) et d'une source stationnaire atteint l'observateur en même temps. Cependant, c'est vrai.

En raison de son rôle particulier dans les lois de la nature, la vitesse de la lumière occupe une place centrale dans la théorie de la relativité générale.

Théorie générale de la relativité

La théorie de la relativité générale s'applique à tous les systèmes de référence (et pas seulement à ceux se déplaçant à vitesse constante les uns par rapport aux autres) et semble mathématiquement beaucoup plus compliquée que le système de référence (ce qui explique l'écart de onze ans entre leur publication). Elle inclut comme cas particulier la théorie restreinte de la relativité (et donc les lois de Newton). Dans le même temps, la théorie de la relativité générale va bien plus loin que tous ses prédécesseurs. Il donne notamment une nouvelle interprétation de la gravité.

La théorie de la relativité générale rend le monde à quatre dimensions : le temps s'ajoute aux trois dimensions spatiales. Les quatre dimensions sont indissociables, nous ne parlons donc plus de la distance spatiale entre deux objets, comme c'est le cas dans le monde tridimensionnel, mais des intervalles spatio-temporels entre les événements, qui combinent leur distance les uns par rapport aux autres - les deux dans le temps et dans l'espace. Autrement dit, l’espace et le temps sont considérés comme un continuum espace-temps à quatre dimensions ou, simplement, espace-temps. Dans ce continuum, les observateurs se déplaçant les uns par rapport aux autres peuvent même être en désaccord sur la question de savoir si deux événements se sont produits simultanément ou si l’un a précédé l’autre. Heureusement pour notre pauvre esprit, cela n'arrive pas au point de violer les relations de cause à effet - c'est-à-dire que l'existence de systèmes de coordonnées dans lesquels deux événements ne se produisent pas simultanément et dans des séquences différentes n'est pas autorisée même par la théorie générale. de la relativité.

La loi de la gravitation universelle de Newton nous dit qu'il existe entre deux corps quelconques de l'Univers une force d'attraction mutuelle. De ce point de vue, la Terre tourne autour du Soleil, puisque des forces d'attraction mutuelles agissent entre elles. La relativité générale nous oblige cependant à regarder ce phénomène différemment. Selon cette théorie, la gravité est une conséquence de la déformation (« courbure ») du tissu élastique de l’espace-temps sous l’influence de la masse (plus le corps est lourd, par exemple le Soleil, plus l’espace-temps « se plie » sous l’effet de la masse). et, par conséquent, plus son champ de force gravitationnelle est fort). Imaginez une toile bien tendue (une sorte de trampoline) sur laquelle est posée une balle massive. La toile se déforme sous le poids du ballon et une dépression en forme d'entonnoir se forme autour d'elle. Selon la théorie de la relativité générale, la Terre tourne autour du Soleil comme une petite boule lancée pour rouler autour du cône d'un entonnoir formé à la suite de la « poussée » de l'espace-temps par une boule lourde - le Soleil. Et ce qui nous semble être la force de gravité est en fait essentiellement une manifestation purement externe de la courbure de l'espace-temps, et en aucun cas une force au sens newtonien. À ce jour, il n’existe pas de meilleure explication de la nature de la gravité que celle que nous donne la théorie de la relativité générale.

Tester la relativité générale est difficile car, dans des conditions normales de laboratoire, ses résultats sont presque exactement les mêmes que ceux prédits par la loi de la gravité de Newton. Néanmoins, plusieurs expériences importantes ont été réalisées et leurs résultats nous permettent de considérer la théorie comme confirmée. De plus, la relativité générale contribue à expliquer les phénomènes que nous observons dans l'espace, comme les légères déviations de Mercure par rapport à son orbite stationnaire qui sont inexplicables du point de vue de la mécanique newtonienne classique, ou la déviation du rayonnement électromagnétique des étoiles lointaines lors de son passage. à proximité du Soleil.

En fait, les résultats prédits par la relativité générale diffèrent sensiblement de ceux prédits par les lois de Newton uniquement en présence de champs gravitationnels extrêmement puissants. Cela signifie que pour tester pleinement la théorie de la relativité générale, nous avons besoin soit de mesures ultra-précises d’objets très massifs, soit de trous noirs, auxquels aucune de nos idées intuitives habituelles n’est applicable. Ainsi, le développement de nouveaux méthodes expérimentales tester la théorie de la relativité reste l’une des tâches les plus importantes de la physique expérimentale.

GTO et RTG : quelques accents

1. Dans d'innombrables livres - monographies, manuels et publications scientifiques populaires, ainsi que dans divers types d'articles - les lecteurs sont habitués à voir les références à la théorie de la relativité générale (GTR) comme l'une des plus grandes réalisations de notre siècle, une merveilleuse théorie, un outil indispensable de la physique et de l’astronomie modernes. Entre-temps, grâce à l'article de A. A. Logunov, ils apprennent que, à son avis, le GTR devrait être abandonné, qu'il est mauvais, incohérent et contradictoire. Par conséquent, le GTR doit être remplacé par une autre théorie et, en particulier, par la théorie relativiste de la gravité (RTG) construite par A. A. Logunov et ses collaborateurs.

Une telle situation est-elle possible alors que de nombreuses personnes se trompent dans leur évaluation du GTR, qui existe et est étudié depuis plus de 70 ans, et que seules quelques personnes, dirigées par A. A. Logunov, ont réellement découvert que le GTR devait être abandonné ? La plupart des lecteurs attendent probablement la réponse : c’est impossible. En fait, je ne peux que répondre exactement à l’opposé : « ceci » est possible en principe, car nous ne parlons pas de religion, mais de science.

Fondateurs et prophètes différentes religions et les croyances ont créé et créent leurs propres « livres sacrés », dont le contenu est déclaré être la vérité ultime. Si quelqu'un doute, tant pis pour lui, il devient un hérétique avec les conséquences qui en découlent, souvent même sanglantes. Il vaut mieux ne pas penser du tout, mais croire, selon la formule bien connue d'un des dirigeants de l'Église : « Je crois, parce que c'est absurde ». La vision scientifique du monde est fondamentalement opposée : elle exige de ne rien tenir pour acquis, permet de douter de tout et ne reconnaît pas les dogmes. Sous l'influence de nouveaux faits et considérations, il est non seulement possible, mais également nécessaire, si cela est justifié, de changer de point de vue, de remplacer une théorie imparfaite par une théorie plus parfaite ou, disons, de généraliser d'une manière ou d'une autre une vieille théorie. La situation est similaire en ce qui concerne les particuliers. Les fondateurs des doctrines religieuses sont considérés comme infaillibles et, par exemple, parmi les catholiques, même une personne vivante - le pape « régnant » - est déclarée infaillible. La science ne connaît pas de personnes infaillibles. Le grand respect, parfois même exceptionnel, que les physiciens (je parlerai de physiciens pour plus de clarté) ont pour les grands représentants de leur profession, notamment pour des titans comme Isaac Newton et Albert Einstein, n'a rien à voir avec la canonisation des saints, avec déification. Et les grands physiciens sont des êtres humains, et tout le monde a ses faiblesses. Si nous parlons de science, qui ne nous intéresse ici que, alors les plus grands physiciens n'ont pas toujours eu raison en tout ; le respect pour eux et la reconnaissance de leurs mérites ne reposent pas sur l'infaillibilité, mais sur le fait qu'ils ont réussi à enrichir la science de réalisations remarquables. , pour voir plus loin et plus profondément que leurs contemporains.

2. Il faut maintenant s'attarder sur les exigences des théories physiques fondamentales.

Premièrement, une telle théorie doit être complète dans le domaine de son applicabilité ou, comme je le dirai par souci de brièveté, elle doit être cohérente. Deuxièmement, une théorie physique doit être adaptée à la réalité physique ou, plus simplement, cohérente avec les expériences et les observations. D’autres exigences pourraient être évoquées, notamment le respect des lois et règles mathématiques, mais tout cela est implicite. Expliquons ce qui a été dit en utilisant l'exemple de la mécanique classique non relativiste - la mécanique newtonienne appliquée au problème en principe le plus simple du mouvement d'une particule « ponctuelle ». Comme on le sait, le rôle d'une telle particule dans les problèmes de mécanique céleste peut être joué par une planète entière ou son satellite. Laisse entrer le moment t 0 la particule est en un point UN avec coordonnées(Expliquons ce qui a été dit en utilisant l'exemple de la mécanique classique non relativiste - la mécanique newtonienne appliquée au problème en principe le plus simple du mouvement d'une particule « ponctuelle ». Comme on le sait, le rôle d'une telle particule dans les problèmes de mécanique céleste peut être joué par une planète entière ou son satellite. Laisse entrer le moment xiA ) et a une vitesse v(Expliquons ce qui a été dit en utilisant l'exemple de la mécanique classique non relativiste - la mécanique newtonienne appliquée au problème en principe le plus simple du mouvement d'une particule « ponctuelle ». Comme on le sait, le rôle d'une telle particule dans les problèmes de mécanique céleste peut être joué par une planète entière ou son satellite. Laisse entrer le moment iA ) (Ici= l, 2, 3, car la position d'un point dans l'espace est caractérisée par trois coordonnées, et la vitesse est un vecteur). Alors, si toutes les forces agissant sur la particule sont connues, les lois de la mécanique permettent de déterminer la position B et vitesse des particules v jeà tout moment ultérieur t, c'est-à-dire trouver des valeurs bien définies xB(t) et v iB(t). Que se passerait-il si les lois de la mécanique utilisées ne donnaient pas de réponse sans ambiguïté et, disons, dans notre exemple, elles prédisaient que la particule à ce moment t peut être situé soit au point B, ou à un moment complètement différent C? Il est clair qu’une telle théorie classique (non quantique) serait incomplète ou, selon la terminologie mentionnée, incohérente. Il faudrait soit le compléter pour le rendre sans ambiguïté, soit le supprimer complètement. La mécanique de Newton, comme indiqué, est cohérente - elle donne des réponses sans ambiguïté et bien définies aux questions relevant de son domaine de compétence et d'applicabilité. La mécanique newtonienne satisfait également à la deuxième exigence mentionnée : les résultats obtenus sur cette base (et plus particulièrement les valeurs de coordonnées x je(t) et la vitesse v je (t)) sont cohérents avec les observations et les expériences. C'est pourquoi toute la mécanique céleste - la description du mouvement des planètes et de leurs satellites - reposait pour l'instant entièrement et avec succès sur la mécanique newtonienne.

3. Mais en 1859, Le Verrier découvrit que le mouvement de la planète la plus proche du Soleil, Mercure, était quelque peu différent de celui prédit par la mécanique newtonienne. Plus précisément, il s'est avéré que le périhélie - le point de l'orbite elliptique de la planète le plus proche du Soleil - tourne avec une vitesse angulaire de 43 secondes d'arc par siècle, différente de ce à quoi on pourrait s'attendre en tenant compte de toutes les perturbations connues provenant d'autres planètes et leurs satellites. Encore plus tôt, Le Verrier et Adams ont été confrontés à une situation essentiellement similaire en analysant le mouvement d'Uranus, la planète la plus éloignée du Soleil connue à cette époque. Et ils ont trouvé une explication à l'écart entre les calculs et les observations, suggérant que le mouvement d'Uranus est influencé par une planète encore plus lointaine, appelée Neptune. En 1846, Neptune fut effectivement découverte à l'endroit prévu, et cet événement est considéré à juste titre comme un triomphe de la mécanique newtonienne. Tout naturellement, Le Verrier a tenté d'expliquer l'anomalie évoquée dans le mouvement de Mercure par l'existence d'un autre planète inconnue- dans ce cas, une certaine planète Vulcain, se rapprochant encore plus du Soleil. Mais la deuxième fois, « le tour a échoué » : aucun Vulcain n'existe. Ensuite, ils ont commencé à essayer de modifier la loi de la gravitation universelle de Newton, selon laquelle la force gravitationnelle, lorsqu'elle est appliquée au système Soleil-planète, change selon la loi

où ε est une petite valeur. À propos, une technique similaire est utilisée (mais sans succès) de nos jours pour expliquer certaines questions peu claires de l'astronomie (nous parlons du problème de la masse cachée ; voir, par exemple, le livre de l'auteur « Sur la physique et l'astrophysique », cité ci-dessous, p. Mais pour qu'une hypothèse se transforme en théorie, il est nécessaire de partir de certains principes, d'indiquer la valeur du paramètre ε et de construire un schéma théorique cohérent. Personne n’y parvint et la question de la rotation du périhélie de Mercure resta ouverte jusqu’en 1915. C’est alors, au milieu de la Première Guerre mondiale, alors que si peu de gens s’intéressaient aux problèmes abstraits de la physique et de l’astronomie, qu’Einstein acheva (après environ 8 ans d’efforts intenses) la création de la théorie générale de la relativité. Cette dernière étape de la construction des fondations du GTR a été couverte dans trois courts articles rapportés et rédigés en novembre 1915. Dans le deuxième d'entre eux, rapporté le 11 novembre, Einstein, sur la base de la relativité générale, a calculé la rotation supplémentaire du périhélie de Mercure par rapport à celle de Newton, qui s'est avérée égale (en radians par tour de la planète autour le soleil)

Et c= 3·10 10 cm s –1 – vitesse de la lumière. En passant à la dernière expression (1), la troisième loi de Kepler a été utilisée

Où T– période de révolution de la planète. Si nous substituons les meilleures valeurs actuellement connues de toutes les quantités dans la formule (1), et effectuons également une conversion élémentaire des radians par tour en rotation en secondes d'arc (signe ″) par siècle, alors nous arrivons à la valeur Ψ = 42 ″.98/siècle. Les observations concordent avec ce résultat avec la précision actuellement obtenue d'environ ± 0″,1 / siècle (Einstein dans son premier travail a utilisé des données moins précises, mais dans les limites d'erreur, il a obtenu un accord complet entre la théorie et les observations). La formule (1) est donnée ci-dessus, premièrement, pour montrer clairement sa simplicité, qui est si souvent absente des théories physiques mathématiquement complexes, y compris dans de nombreux cas dans la Relativité Générale.

Deuxièmement, et c'est l'essentiel, il ressort clairement de (1) que la rotation du périhélie découle de la relativité générale sans qu'il soit nécessaire d'impliquer de nouvelles constantes ou paramètres inconnus. Le résultat obtenu par Einstein est donc devenu un véritable triomphe de la relativité générale. Au meilleur de moi Einstein exprime et justifie l’opinion selon laquelle l’explication de la rotation du périhélie de Mercure était « l’événement émotionnel le plus puissant de toute la vie scientifique d’Einstein, et peut-être de toute sa vie ». Oui c'était " la plus belle heure»Einstein. Mais juste pour lui-même. Pour un certain nombre de raisons (il suffit de mentionner la guerre) pour GR elle-même, pour que cette théorie et son créateur entrent sur la scène mondiale, la « plus belle heure » a été un autre événement qui s'est produit 4 ans plus tard - en 1919. Le fait est que dans le même ouvrage dans lequel la formule (1) a été obtenue, Einstein a fait une prédiction importante : les rayons de lumière passant près du Soleil doivent se courber et leur déviation doit être

Où r est la distance la plus proche entre le rayon et le centre du Soleil, et r☼ = 6,96·10 10 cm – rayon du Soleil (plus précisément, rayon photosphère solaire); ainsi l'écart maximum pouvant être observé est de 1,75 secondes d'arc. Aussi petit qu'un tel angle soit (à peu près sous cet angle un adulte est visible à une distance de 200 km), il pouvait déjà être mesuré à l'époque par la méthode optique en photographiant les étoiles du ciel à proximité du Soleil. Ce sont ces observations qui furent faites par deux expéditions anglaises lors de l'éclipse totale de Soleil du 29 mai 1919. L'effet de la déviation des rayons dans le champ du Soleil a été établi avec certitude et est en accord avec la formule (2), bien que la précision des mesures soit faible en raison de la petitesse de l'effet. Cependant, un écart deux fois moins important que selon (2), c'est-à-dire 0″,87, a été exclu. Ce dernier est très important, car l'écart est de 0″.87 (avec r = r☼) peut déjà être obtenu à partir de la théorie de Newton (la possibilité même d'une déviation de la lumière dans un champ gravitationnel a été notée par Newton, et l'expression de l'angle de déviation, la moitié de celle selon la formule (2), a été obtenue en 1801 ; une autre chose est que cette prédiction a été oubliée et qu'Einstein ne le savait pas). Le 6 novembre 1919, les résultats des expéditions furent rapportés à Londres lors d'une réunion conjointe de la Royal Society et de la Royal Astronomical Society. L'impression qu'ils ont laissée ressort clairement de ce que le président, J. J. Thomson, a déclaré lors de cette réunion : « C'est le résultat le plus important obtenu en relation avec la théorie de la gravitation depuis Newton... Il représente l'une des plus grandes réalisations de la pensée humaine. .»

Les effets de la relativité générale dans le système solaire, comme nous l’avons vu, sont très faibles. Cela s'explique par le fait que le champ gravitationnel du Soleil (sans parler des planètes) est faible. Ce dernier signifie que le potentiel gravitationnel newtonien du Soleil

Rappelons maintenant le résultat connu du cours de physique scolaire : pour les orbites circulaires des planètes |φ ☼ | = v 2, où v est la vitesse de la planète. Ainsi, la faiblesse du champ gravitationnel peut être caractérisée par un paramètre plus visuel v 2 / c 2, qui est pour système solaire, comme nous l'avons vu, ne dépasse pas la valeur 2,12·10 – 6. En orbite terrestre v = 3 10 6 cm s – 1 et v 2 / c 2 = 10 – 8, pour les satellites proches de la Terre v ~ 8 10 5 cm s – 1 et v 2 / c 2 ~ 7 ·10 – 10 . Par conséquent, tester les effets mentionnés de la relativité générale même avec la précision actuellement atteinte de 0,1%, c'est-à-dire avec une erreur ne dépassant pas 10 – 3 de la valeur mesurée (par exemple, la déviation des rayons lumineux dans le champ du Soleil), ne nous permet pas encore de tester de manière exhaustive la relativité générale avec une précision des termes de l'ordre

Nous ne pouvons que rêver de mesurer, par exemple, la déviation des rayons au sein du système solaire avec la précision requise. Cependant, des projets d'expérimentations pertinentes sont déjà en discussion. En relation avec ce qui précède, les physiciens affirment que la relativité générale n'a été testée principalement que pour un champ gravitationnel faible. Mais nous (moi en tout cas) n'avons même pas remarqué une circonstance importante pendant assez longtemps. C’est après le lancement du premier satellite terrestre, le 4 octobre 1957, que la navigation spatiale commence à se développer rapidement. Pour les instruments d'atterrissage sur Mars et Vénus, lors de vols à proximité de Phobos, etc., des calculs avec une précision allant jusqu'au mètre sont nécessaires (à des distances de la Terre de l'ordre de cent milliards de mètres), alors que les effets de la relativité générale sont assez importants. Par conséquent, les calculs sont désormais effectués sur la base de schémas informatiques qui prennent organiquement en compte la relativité générale. Je me souviens qu'il y a quelques années, un intervenant - un spécialiste de la navigation spatiale - n'avait même pas compris mes questions sur l'exactitude du test de relativité générale. Il a répondu : nous prenons en compte la relativité générale dans nos calculs d’ingénierie, nous ne pouvons pas travailler autrement, tout se passe correctement, que demander de plus ? Bien sûr, on peut souhaiter beaucoup, mais il ne faut pas oublier que le GTR n'est plus une théorie abstraite, mais est utilisé dans les « calculs techniques ».

4. À la lumière de tout ce qui précède, les critiques de A. A. Logunov à l’égard du GTR semblent particulièrement surprenantes. Mais conformément à ce qui a été dit au début de cet article, il est impossible d’écarter cette critique sans analyse. Aussi dans dans une plus grande mesure impossible sans analyse détaillée exprimer un jugement sur le RTG proposé par A. A. Logunov - la théorie relativiste de la gravité.

Malheureusement, il est totalement impossible de réaliser une telle analyse sur les pages de publications scientifiques populaires. Dans son article, A. A. Logunov, en fait, ne fait que déclarer et commenter sa position. Ici non plus, je ne peux rien faire d’autre.

Ainsi, nous pensons que GTR est une théorie physique cohérente - à toutes les questions correctement et clairement posées qui sont admissibles dans le domaine de son applicabilité, GTR donne une réponse sans ambiguïté (cette dernière s'applique en particulier au temps de retard des signaux lors de la localisation des planètes). Il ne souffre pas de relativité générale ni de défauts de nature mathématique ou logique. Il est cependant nécessaire de clarifier ce que l’on entend ci-dessus lorsque l’on utilise le pronom « nous ». «Nous», c'est bien sûr moi-même, mais aussi tous ces physiciens soviétiques et étrangers avec lesquels j'ai dû discuter de la relativité générale et, dans certains cas, de sa critique par A. A. Logunov. Le grand Galilée disait il y a quatre siècles : en matière de science, l’opinion d’un seul vaut plus que l’opinion de mille. En d’autres termes, les conflits scientifiques ne sont pas tranchés à la majorité. Mais, d'un autre côté, il est bien évident que l'opinion de nombreux physiciens, en général, est beaucoup plus convaincante ou, pour mieux dire, plus sûre et plus importante que l'opinion d'un seul physicien. Par conséquent, la transition du « je » au « nous » est ici importante.

Il sera utile et approprié, je l'espère, de faire quelques commentaires supplémentaires.

Pourquoi A. A. Logunov n'aime-t-il pas autant GTR ? raison principale est qu'en Relativité Générale, d'une manière générale, il n'y a pas de concept d'énergie et de quantité de mouvement sous la forme qui nous est familière avec l'électrodynamique et, selon ses mots, il y a un refus « de représenter le champ gravitationnel comme un champ classique du système Faraday-Maxwell ». type, ayant une densité d'énergie-impulsion bien définie. Oui, cette dernière hypothèse est vraie dans un sens, mais elle s'explique par le fait que « dans la géométrie riemannienne, dans le cas général, il n'y a pas de symétrie nécessaire en ce qui concerne les déplacements et les rotations, c'est-à-dire qu'il n'y a pas... de groupe ». du mouvement de l’espace-temps. La géométrie de l'espace-temps selon la relativité générale est la géométrie riemannienne. C’est notamment pourquoi les rayons lumineux s’écartent d’une ligne droite lorsqu’ils passent près du Soleil.

L'une des plus grandes réalisations mathématiques du siècle dernier a été la création et le développement de la géométrie non euclidienne par Lobatchevski, Bolyai, Gauss, Riemann et leurs disciples. La question s’est alors posée : quelle est réellement la géométrie de l’espace-temps physique dans lequel nous vivons ? Comme indiqué, selon GTR, cette géométrie est non euclidienne, riemannienne et non pseudo-euclidienne de Minkowski (cette géométrie est décrite plus en détail dans l'article de A. A. Logunov). Cette géométrie de Minkowski était, pourrait-on dire, un produit de la théorie de la relativité restreinte (STR) et remplaçait le temps absolu et l’espace absolu de Newton. Immédiatement avant la création de la SRT en 1905, ils tentèrent d'identifier cette dernière à l'éther immobile de Lorentz. Mais l’éther de Lorentz, en tant que milieu mécanique absolument immobile, a été abandonné parce que toutes les tentatives pour remarquer la présence de ce milieu ont échoué (je veux dire l’expérience de Michelson et quelques autres expériences). L’hypothèse selon laquelle l’espace-temps physique est nécessairement exactement l’espace de Minkowski, que A. A. Logunov considère comme fondamentale, est d’une très grande portée. Elle ressemble en quelque sorte aux hypothèses sur l'espace absolu et l'éther mécanique et, nous semble-t-il, reste et restera totalement infondée jusqu'à ce que des arguments basés sur des observations et des expériences soient indiqués en sa faveur. Et de tels arguments, du moins à l’heure actuelle, sont totalement absents. Les références à l'analogie avec l'électrodynamique et aux idéaux des remarquables physiciens du siècle dernier Faraday et Maxwell ne sont pas convaincantes à cet égard.

5. Si nous parlons de la différence entre le champ électromagnétique et, par conséquent, l'électrodynamique et le champ gravitationnel (GR est précisément la théorie d'un tel champ), il convient de noter ce qui suit. En choisissant un système de référence, il est impossible de détruire (réduire à zéro) même localement (sur une petite zone) la totalité du champ électromagnétique. Par conséquent, si la densité énergétique du champ électromagnétique

(E Et H– l'intensité des champs électrique et magnétique, respectivement) est différente de zéro dans certains systèmes de référence, elle sera alors différente de zéro dans tout autre système de référence. Le champ gravitationnel, en gros, dépend beaucoup plus fortement du choix du système de référence. Ainsi, un champ gravitationnel uniforme et constant (c'est-à-dire un champ gravitationnel provoquant une accélération g les particules qui y sont placées, indépendamment des coordonnées et du temps) peuvent être complètement « détruites » (réduites à zéro) par transition vers un système de référence uniformément accéléré. Cette circonstance, qui constitue le contenu physique principal du « principe d'équivalence », a été notée pour la première fois par Einstein dans un article publié en 1907 et a été la première sur la voie de la création de la relativité générale.

S'il n'y a pas de champ gravitationnel (notamment l'accélération qu'il provoque g est égal à zéro), alors la densité de l'énergie qui lui correspond est également égale à zéro. De là, il est clair que dans la question de la densité d’énergie (et de quantité de mouvement), la théorie du champ gravitationnel doit différer radicalement de la théorie du champ électromagnétique. Cette affirmation ne change pas du fait que dans le cas général, le champ gravitationnel ne peut pas être « détruit » par le choix du référentiel.

Einstein l’avait compris avant 1915, lorsqu’il acheva la création de la Relativité Générale. Ainsi, en 1911, il écrivait : « Bien entendu, il est impossible de remplacer un champ gravitationnel quelconque par l’état de mouvement d’un système sans champ gravitationnel, tout comme il est impossible de transformer tous les points d’un milieu en mouvement arbitraire pour qu’ils se reposent à travers un transformation relativiste. Et voici un extrait d’un article de 1914 : « Faisons d’abord une remarque supplémentaire pour dissiper le malentendu qui surgit. Partisan de l'habituel théorie moderne la relativité (on parle de STR - V.L.G.) appelle avec un certain droit la vitesse d'un point matériel « apparente ». A savoir, il peut choisir un système de référence pour que le point matériel à l'instant considéré ait une vitesse égale à zéro. S'il existe un système points matériels, qui ont des vitesses différentes, alors il ne peut plus introduire un système de référence tel que les vitesses de tous les points matériels par rapport à ce système deviennent nulles. De la même manière, un physicien qui adopte notre point de vue peut qualifier le champ gravitationnel d'"apparent", car par un choix approprié d'accélération du référentiel, il peut obtenir qu'à un certain point de l'espace-temps, le champ gravitationnel devienne nul. . Cependant, il convient de noter que la disparition du champ gravitationnel par transformation dans le cas général ne peut pas être obtenue pour des champs gravitationnels étendus. Par exemple, le champ gravitationnel de la Terre ne peut pas être rendu égal à zéro en choisissant un cadre de référence approprié. » Enfin, déjà en 1916, répondant aux critiques de la relativité générale, Einstein soulignait encore une fois la même chose : « Il n'est en aucun cas possible d'affirmer que le champ gravitationnel s'explique dans une certaine mesure de manière purement cinématique : « une compréhension cinématique et non dynamique » de la gravité » est impossible. Nous ne pouvons obtenir aucun champ gravitationnel en accélérant simplement un système de coordonnées galiléen par rapport à un autre, car de cette manière, il est possible d'obtenir uniquement des champs d'une certaine structure, qui doivent cependant obéir aux mêmes lois que tous les autres champs gravitationnels. Il s'agit d'une autre formulation du principe d'équivalence (spécifiquement pour appliquer ce principe à la gravité)."

L'impossibilité d'une « compréhension cinématique » de la gravité, combinée au principe d'équivalence, détermine le passage en relativité générale de la géométrie pseudo-euclidienne de Minkowski à la géométrie riemannienne (dans cette géométrie, l'espace-temps a, d'une manière générale, un caractère non -courbure nulle ; la présence d'une telle courbure est ce qui distingue le « vrai » champ gravitationnel du « cinématique »). Caractéristiques physiques Le champ gravitationnel détermine, répétons-le, un changement radical dans le rôle de l'énergie et de la quantité de mouvement en relativité générale par rapport à l'électrodynamique. Dans le même temps, tant l'utilisation de la géométrie riemannienne que l'incapacité d'appliquer les concepts énergétiques familiers de l'électrodynamique n'empêchent pas, comme déjà souligné ci-dessus, le fait qu'à partir du GTR, il découle et puisse être calculé des valeurs tout à fait sans ambiguïté pour toutes les grandeurs observables. (l'angle de déviation des rayons lumineux, les changements d'éléments orbitaux pour les planètes et les doubles pulsars, etc., etc.).

Il serait probablement utile de noter que la relativité générale peut également être formulée sous la forme familière de l'électrodynamique en utilisant le concept de densité énergie-impulsion (pour cela, voir l'article cité de Ya. B. Zeldovich et L. P. Grishchuk. Cependant, quoi est introduit dans ce cas, l'espace de Minkowski est purement fictif (inobservable), et nous ne parlons que de la même relativité générale, écrite sous une forme non standard. En attendant, répétons-le, A. A. Logunov considère l'espace de Minkowski comme étant lui-même. utilise dans la théorie relativiste de la gravité (RTG) pour être un espace physique réel, et donc observable.

6. À cet égard, la deuxième des questions figurant dans le titre de cet article est particulièrement importante : le GTR correspond-il à la réalité physique ? En d’autres termes, que dit l’expérience, juge suprême pour décider du sort de toute théorie physique ? De nombreux articles et livres sont consacrés à ce problème : la vérification expérimentale de la relativité générale. La conclusion est tout à fait définitive : toutes les données expérimentales ou observationnelles disponibles confirment la relativité générale ou ne la contredisent pas. Cependant, comme nous l'avons déjà indiqué, la vérification de la relativité générale a été réalisée et n'intervient principalement que dans un champ gravitationnel faible. De plus, toute expérience a une précision limitée. Dans des champs gravitationnels forts (en gros, dans le cas où le rapport |φ| / c 2 ne suffit pas ; voir ci-dessus) La Relativité Générale n'a pas encore été suffisamment vérifiée. Pour cela, il est désormais possible de n'utiliser pratiquement que des méthodes astronomiques relatives à l'espace très lointain : l'étude des étoiles à neutrons, des doubles pulsars, des « trous noirs », de l'expansion et de la structure de l'Univers, comme on dit, « dans le grand » - dans de vastes étendues mesurées en millions et milliards d'années-lumière. Beaucoup a déjà été fait et est fait dans ce sens. Il suffit de citer les études du double pulsar PSR 1913+16, pour lequel (comme en général pour les étoiles à neutrons) le paramètre |φ| / c 2 est déjà d'environ 0,1. De plus, dans ce cas, il a été possible d'identifier l'effet d'ordre (v / c) 5 associés à l'émission d'ondes gravitationnelles. Dans les décennies à venir, de nouvelles opportunités s’ouvriront pour étudier les processus dans les champs gravitationnels puissants.

L’étoile directrice de cette recherche époustouflante est avant tout la relativité générale. En même temps, bien sûr, d'autres possibilités sont également discutées - d'autres, comme on dit parfois, des théories alternatives de la gravité. Par exemple, en relativité générale, comme dans la théorie de la gravitation universelle de Newton, la constante gravitationnelle g est en effet considérée comme une valeur constante. L'une des théories de la gravité les plus célèbres, généralisant (ou, plus précisément, élargissant) la relativité générale, est une théorie dans laquelle la « constante » gravitationnelle est considérée comme une nouvelle fonction scalaire - une quantité dépendant des coordonnées et du temps. Les observations et mesures indiquent cependant que d'éventuels changements relatifs g au fil du temps, très faible - ne dépassant apparemment pas cent milliards par an, c'est-à-dire | dG / dt| / g < 10 – 11 год – 1 . Но когда-то в прошлом изменения g pourrait jouer un rôle. Notez que même indépendamment de la question de l'inconstance g hypothèse d'existence dans l'espace-temps réel, en plus du champ gravitationnel g ik, un certain champ scalaire ψ est également la direction principale de la physique et de la cosmologie modernes. Dans d'autres théories alternatives de la gravité (à leur sujet, voir le livre de K. Will mentionné ci-dessus dans la note 8), le GTR est modifié ou généralisé d'une manière différente. Bien entendu, on ne peut pas s’opposer à l’analyse correspondante, car le GTR n’est pas un dogme, mais une théorie physique. De plus, on sait que la Relativité Générale, qui est une théorie non quantique, doit évidemment être généralisée au domaine quantique, qui n'est pas encore accessible aux expériences gravitationnelles connues. Bien entendu, vous ne pouvez pas nous en dire plus ici.

7. A. A. Logunov, partant de la critique du GTR, construit depuis plus de 10 ans une théorie alternative de la gravité, différente du GTR. Dans le même temps, beaucoup de choses ont changé au cours des travaux, et la version désormais acceptée de la théorie (c'est RTG) est présentée de manière particulièrement détaillée dans un article qui occupe environ 150 pages et contient seulement environ 700 formules numérotées. Evidemment, une analyse détaillée du RTG n'est possible que sur les pages revues scientifiques. Ce n'est qu'après une telle analyse qu'il sera possible de dire si RTG est cohérent, s'il ne contient pas de contradictions mathématiques, etc. Autant que j'ai pu comprendre, RTG diffère de GTR dans la sélection d'une partie seulement des solutions de GTR - toutes les solutions des équations différentielles de RTG satisfont les équations de GTR, mais comment disent les auteurs de RTG, et non l'inverse. Dans le même temps, on conclut qu'en ce qui concerne les problématiques globales (solutions pour l'ensemble de l'espace-temps ou ses grandes régions, topologie, etc.), les différences entre RTG et GTR sont, d'une manière générale, radicales. Comme pour toutes les expériences et observations réalisées au sein du système solaire, d'après ce que je comprends, la RTG ne peut pas entrer en conflit avec la Relativité Générale. Si tel est le cas, alors il est impossible de préférer la RTG (par rapport à la relativité générale) sur la base des expériences connues dans le système solaire. Quant aux « trous noirs » et à l’Univers, les auteurs de RTG affirment que leurs conclusions sont significativement différentes de celles de la Relativité Générale, mais nous n’avons connaissance d’aucune donnée observationnelle spécifique témoignant en faveur de RTG. Dans une telle situation, RTG de A. A. Logunov (si RTG diffère vraiment de GTR par essence, et pas seulement par la manière de présentation et le choix de l'une des classes possibles de conditions de coordonnées ; voir l'article de Ya. B. Zeldovich et L. P. Grishchuk) ne peut être considérée que comme l’une des théories alternatives, en principe acceptables, de la gravité.

Certains lecteurs peuvent se méfier des clauses telles que : « si tel est le cas », « si RTG diffère vraiment de GTR ». Est-ce que j'essaie de me protéger des erreurs de cette façon ? Non, je n'ai pas peur de commettre une erreur simplement parce que je suis convaincu qu'il n'y a qu'une seule garantie d'être sans erreur : ne pas travailler du tout, et dans ce cas, ne pas discuter de questions scientifiques. Une autre chose est que le respect de la science, la connaissance de son caractère et de son histoire incitent à la prudence. Les déclarations catégoriques n'indiquent pas toujours la présence d'une véritable clarté et, en général, ne contribuent pas à établir la vérité. RTG A. A. Logunova en elle forme moderne formulée assez récemment et n’a pas encore été discutée en détail dans la littérature scientifique. Par conséquent, bien entendu, je n’ai pas d’opinion définitive à ce sujet. De plus, il est impossible, voire inapproprié, de discuter d'un certain nombre de questions émergentes dans un magazine de vulgarisation scientifique. Dans le même temps, bien entendu, en raison du grand intérêt des lecteurs pour la théorie de la gravitation, une couverture à un niveau accessible de cet éventail de questions, y compris les plus controversées, dans les pages de « Science et Vie » semble justifiée.

Ainsi, guidé par le sage « principe de la nation la plus favorisée », le RTG devrait désormais être considéré comme une théorie alternative de la gravité qui nécessite une analyse et une discussion appropriées. Pour ceux qui aiment cette théorie (RTG), qui s'y intéressent, personne ne se soucie (et, bien sûr, ne devrait pas interférer) de son développement, en suggérant des voies possibles de vérification expérimentale.

Dans le même temps, il n’y a aucune raison de dire que GTR soit actuellement ébranlé de quelque manière que ce soit. De plus, le champ d’application de la relativité générale semble être très large et sa précision est très élevée. Il s’agit, à notre avis, d’une évaluation objective de la situation actuelle. Si nous parlons de goûts et d'attitudes intuitives, et que les goûts et l'intuition jouent un rôle important dans la science, même s'ils ne peuvent pas être avancés comme preuve, alors nous devrons ici passer du « nous » au « je ». Ainsi, plus j’ai eu et dois encore faire face à la théorie de la relativité générale et à sa critique, plus mon impression de sa profondeur et de sa beauté exceptionnelles se renforce.

En effet, comme indiqué dans les mentions légales, le tirage de la revue « Science et Vie » n° 4, 1987 était de 3 millions 475 mille exemplaires. DANS dernières années le tirage n'était que de quelques dizaines de milliers d'exemplaires, dépassant les 40 000 seulement en 2002. (note – A. M. Krainev).

À propos, 1987 marque le 300e anniversaire de la première publication du grand livre de Newton « Principes mathématiques de la philosophie naturelle ». Se familiariser avec l'histoire de la création de cette œuvre, sans parler de l'œuvre elle-même, est très instructif. Mais il en va de même pour toutes les activités de Newton, qui ne sont pas si faciles à connaître pour les non-spécialistes. Je peux recommander à cet effet le très bon livre de S.I. Vavilov « Isaac Newton » ; il devrait être réédité. Permettez-moi également de mentionner mon article écrit à l’occasion de l’anniversaire de Newton, publié dans la revue « Uspekhi Fizicheskikh Nauk », v. 151, n° 1, 1987, p. 119.

L'ampleur du virage est donnée d'après des mesures modernes (Le Verrier a eu un tour de 38 secondes). Rappelons pour plus de clarté que le Soleil et la Lune sont visibles depuis la Terre sous un angle d'environ 0,5 degrés d'arc - 1800 secondes d'arc.

A. Pals « Le Seigneur est subtil… » La science et la vie d'Albert Einstein. Université d'Oxford. Press, 1982. Il serait conseillé de publier une traduction russe de ce livre.

Cette dernière est possible en pleine éclipses solaires; En photographiant la même partie du ciel, disons six mois plus tard, lorsque le Soleil s'est déplacé sur la sphère céleste, on obtient à titre de comparaison une image qui n'est pas déformée par la déviation des rayons sous l'influence du champ gravitationnel. du soleil.

Pour plus de détails, je dois me référer à l'article de Ya. B. Zeldovich et L. P. Grishchuk, récemment publié dans Uspekhi Fizicheskikh Nauk (vol. 149, p. 695, 1986), ainsi qu'à la littérature qui y est citée, notamment à la article de L. D. Faddeev (« Advances in Physical Sciences », vol. 136, p. 435, 1982).

Voir note de bas de page 5.

Voir K. Will. "Théorie et expérience en physique gravitationnelle." M., Energoiedat, 1985 ; voir aussi V. L. Ginzburg. Sur la physique et l'astrophysique. M., Nauka, 1985, et la littérature qui y est indiquée.

A. A. Logunov et M. A. Mestvirishvili. "Fondements de la théorie relativiste de la gravité." Journal "Physique des particules élémentaires et du noyau atomique", vol. 17, numéro 1, 1986.

Dans les travaux de A. A. Logunov, il y a d'autres déclarations et on pense spécifiquement que pour le temps de retard du signal lors de la localisation, par exemple, de Mercure par rapport à la Terre, une valeur différente de la suivante de GTR est obtenue à partir de RTG. Plus précisément, il est avancé que la relativité générale ne donne pas du tout une prédiction sans ambiguïté des temps de retard des signaux, c'est-à-dire que la relativité générale est incohérente (voir ci-dessus). Cependant, une telle conclusion, nous semble-t-il, est le fruit d'un malentendu (cela est indiqué par exemple dans l'article cité de Ya. B. Zeldovich et L. P. Grishchuk, voir note 5) : des résultats différents en relativité générale lors de l'utilisation de différents systèmes de coordonnées, ils sont obtenus uniquement parce que , qui compare les planètes situées sur des orbites différentes, et ayant donc des périodes de révolution différentes autour du Soleil. Les temps de retard des signaux observés depuis la Terre lors de la localisation d'une certaine planète, selon la relativité générale et le RTG, coïncident.

Voir note de bas de page 5.

Détails pour les curieux

Déviation de la lumière et des ondes radio dans le champ gravitationnel du Soleil. Habituellement, une boule de rayon statique à symétrie sphérique est considérée comme un modèle idéalisé du Soleil. R.☼ ~ 6,96·10 10 cm, masse solaire M.☼ ~ 1,99 10 30 kg (332958 fois plus de masse Terre). La déviation de la lumière est maximale pour les rayons qui touchent à peine le Soleil, c'est-à-dire lorsque R. ~ R.☼ , et égal à : φ ≈ 1″.75 (secondes d'arc). Cet angle est très petit - à peu près sous cet angle, un adulte est visible à une distance de 200 km et, par conséquent, la précision de la mesure de la courbure gravitationnelle des rayons était faible jusqu'à récemment. Les dernières mesures optiques prises lors de l'éclipse solaire du 30 juin 1973 comportaient une erreur d'environ 10 %. Aujourd'hui, grâce à l'avènement des interféromètres radio « à base ultra-longue » (plus de 1000 km), la précision des mesures d'angles a fortement augmenté. Les interféromètres radio permettent de mesurer de manière fiable les distances angulaires et les changements d'angles de l'ordre de 10 à 4 secondes d'arc (~ 1 nanoradian).

La figure montre la déviation d'un seul des rayons provenant d'une source lointaine. En réalité, les deux rayons sont courbés.

POTENTIEL DE GRAVITÉ

En 1687 paraît l’ouvrage fondamental de Newton « Principes mathématiques de la philosophie naturelle » (voir « Science et vie » n° 1, 1987), dans lequel la loi de la gravitation universelle est formulée. Cette loi stipule que la force d’attraction entre deux particules matérielles est directement proportionnelle à leur masse. M. Et m et inversement proportionnel au carré de la distance r entre eux:

Facteur de proportionnalité g a commencé à être appelée constante gravitationnelle, il est nécessaire de concilier les dimensions des côtés droit et gauche de la formule newtonienne. Newton lui-même a montré avec une très grande précision pour son époque que g– la quantité est constante et, par conséquent, la loi de la gravité qu'il a découverte est universelle.

Deux masses ponctuelles attirantes M. Et m apparaissent également dans la formule de Newton. Autrement dit, on peut considérer qu’ils servent tous deux de sources du champ gravitationnel. Or, dans des problèmes spécifiques, notamment en mécanique céleste, l’une des deux masses est souvent très petite par rapport à l’autre. Par exemple, la masse de la Terre M. 3 ≈ 6 · 10 24 kg est bien inférieur à la masse du Soleil M.☼ ≈ 2 · 10 30 kg ou, disons, la masse du satellite m≈ 10 3 kg n'est pas comparable à la masse terrestre et n'a donc pratiquement aucun effet sur le mouvement de la Terre. Une telle masse, qui elle-même ne perturbe pas le champ gravitationnel, mais sert de sonde sur laquelle agit ce champ, est appelée masse test. (De la même manière, en électrodynamique, il existe le concept de « charge d’essai », c’est-à-dire une charge qui aide à détecter un champ électromagnétique.) Puisque la masse d’essai (ou la charge d’essai) apporte une contribution négligeable au champ, par exemple Une telle masse, le champ devient « externe » et peut être caractérisé par une quantité appelée tension. Essentiellement, l'accélération due à la gravité g est l'intensité du champ gravitationnel terrestre. La deuxième loi de la mécanique newtonienne donne alors les équations du mouvement d'une masse ponctuelle d'essai m. C’est par exemple ainsi que sont résolus les problèmes de balistique et de mécanique céleste. Notez que pour la plupart de ces problèmes, la théorie de la gravitation de Newton a encore aujourd'hui une précision tout à fait suffisante.

La tension, comme la force, est une quantité vectorielle, c'est-à-dire que dans l'espace tridimensionnel, elle est déterminée par trois nombres - des composantes le long d'axes cartésiens mutuellement perpendiculaires X, à, z. Lors du changement de système de coordonnées - et de telles opérations ne sont pas rares dans les problèmes physiques et astronomiques - les coordonnées cartésiennes du vecteur sont transformées d'une manière, bien que non complexe, mais souvent lourde. Par conséquent, au lieu de l'intensité du champ vectoriel, il serait pratique d'utiliser la quantité scalaire correspondante, à partir de laquelle la force caractéristique du champ - l'intensité - serait obtenue à l'aide d'une recette simple. Et une telle quantité scalaire existe - elle s'appelle potentiel, et le passage à la tension s'effectue par simple différenciation. Il s’ensuit que le potentiel gravitationnel newtonien créé par la masse M., est égal

d'où l'égalité |φ| = v2 .

En mathématiques, la théorie de la gravité de Newton est parfois appelée « théorie du potentiel ». À une certaine époque, la théorie du potentiel newtonien a servi de modèle à la théorie de l'électricité, puis les idées sur le champ physique, formées dans l'électrodynamique de Maxwell, ont à leur tour stimulé l'émergence de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Le passage de la théorie relativiste de la gravité d'Einstein au cas particulier de la théorie de la gravité de Newton correspond précisément à la région des petites valeurs du paramètre sans dimension |φ| / c 2 .

Théorie générale de la relativité(GTR) est une théorie géométrique de la gravité publiée par Albert Einstein en 1915-1916. Dans le cadre de cette théorie, qui constitue un développement ultérieur de la théorie de la relativité restreinte, il est postulé que les effets gravitationnels ne sont pas provoqués par l'interaction de forces de corps et de champs situés dans l'espace-temps, mais par la déformation de l'espace-temps. elle-même, qui est associée notamment à la présence de masse-énergie. Ainsi, en relativité générale, comme dans d’autres théories métriques, la gravité n’est pas une interaction de force. La relativité générale diffère des autres théories métriques de la gravité en utilisant les équations d'Einstein pour relier la courbure de l'espace-temps à la matière présente dans l'espace.

La relativité générale est actuellement la théorie gravitationnelle la plus aboutie, bien étayée par les observations. Le premier succès de la relativité générale fut d'expliquer la précession anormale du périhélie de Mercure. Puis, en 1919, Arthur Eddington rapporta l’observation d’une déviation de la lumière près du Soleil lors d’une éclipse totale, confirmant ainsi les prédictions de la relativité générale.

Depuis lors, de nombreuses autres observations et expériences ont confirmé un nombre important de prédictions de la théorie, notamment la dilatation gravitationnelle du temps, le redshift gravitationnel, le retard du signal dans le champ gravitationnel et, jusqu'à présent seulement indirectement, le rayonnement gravitationnel. De plus, de nombreuses observations sont interprétées comme la confirmation de l'une des prédictions les plus mystérieuses et exotiques de la théorie de la relativité générale : l'existence de trous noirs.

Malgré le succès retentissant de la théorie de la relativité générale, il existe un malaise dans la communauté scientifique du fait qu'elle ne peut être reformulée comme la limite classique de la théorie quantique en raison de l'apparition de divergences mathématiques inamovibles lorsqu'on considère les trous noirs et l'espace-temps. singularités en général. Un certain nombre de théories alternatives ont été proposées pour résoudre ce problème. Les données expérimentales modernes indiquent que tout type d’écart par rapport à la relativité générale devrait être très faible, voire inexistant.

Principes de base de la relativité générale

La théorie de la gravité de Newton est basée sur le concept de gravité, qui est une force à longue portée : elle agit instantanément à n'importe quelle distance. Ce caractère instantané de l'action est incompatible avec le paradigme de champ de la physique moderne et, en particulier, avec la théorie restreinte de la relativité, créée en 1905 par Einstein, inspirée des travaux de Poincaré et Lorentz. Selon la théorie d’Einstein, aucune information ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide.

Mathématiquement, la force gravitationnelle de Newton dérive de l’énergie potentielle d’un corps dans un champ gravitationnel. Le potentiel gravitationnel correspondant à cette énergie potentielle obéit à l'équation de Poisson, qui n'est pas invariante sous les transformations de Lorentz. La raison de la non-invariance est que l'énergie dans la relativité restreinte n'est pas quantité scalaire, et entre dans la composante temporelle du 4-vecteur. La théorie vectorielle de la gravité s'avère similaire à la théorie du champ électromagnétique de Maxwell et conduit à une énergie négative des ondes gravitationnelles, qui est associée à la nature de l'interaction : comme les charges (masse) dans la gravité s'attirent et ne se repoussent pas, comme en électromagnétisme. Ainsi, la théorie de la gravité de Newton est incompatible avec le principe fondamental de la théorie de la relativité restreinte - l'invariance des lois de la nature dans tout référentiel inertiel et la généralisation vectorielle directe de la théorie de Newton, proposée pour la première fois par Poincaré en 1905 dans son Les travaux « Sur la dynamique de l'électron » conduisent à des résultats physiquement insatisfaisants.

Einstein a commencé à rechercher une théorie de la gravité qui serait compatible avec le principe d'invariance des lois de la nature par rapport à n'importe quel cadre de référence. Le résultat de cette recherche fut la théorie générale de la relativité, basée sur le principe de l'identité de la masse gravitationnelle et inertielle.

Le principe d'égalité des masses gravitationnelles et inertielles

Dans la mécanique newtonienne classique, il existe deux concepts de masse : le premier fait référence à la deuxième loi de Newton et le second à la loi de la gravitation universelle. La première masse - inertielle (ou inertielle) - est le rapport entre la force non gravitationnelle agissant sur le corps et son accélération. La deuxième masse - gravitationnelle (ou, comme on l'appelle parfois, lourde) - détermine la force d'attraction d'un corps par d'autres corps et sa propre force d'attraction. D'une manière générale, comme le montre la description, ces deux masses sont mesurées dans diverses expériences et ne doivent donc pas du tout être proportionnelles l'une à l'autre. Leur stricte proportionnalité permet de parler d’une masse corporelle unique dans les interactions non gravitationnelles et gravitationnelles. Grâce à un choix approprié d'unités, ces masses peuvent être rendues égales les unes aux autres. Le principe lui-même a été avancé par Isaac Newton, et l'égalité des masses a été vérifiée expérimentalement par lui avec une précision relative de 10 ?3. DANS fin XIX Pendant des siècles, des expériences plus subtiles ont été menées par Eötvös, portant la précision des tests du principe à 10 ?9. Au cours du XXe siècle, la technologie expérimentale a permis de confirmer l'égalité des masses avec une précision relative de 10?12-10?13 (Braginsky, Dicke, etc.). Parfois, le principe d'égalité des masses gravitationnelles et inertielles est appelé principe d'équivalence faible. Albert Einstein l'a basé sur la théorie de la relativité générale.

Le principe du mouvement le long des lignes géodésiques

Si la masse gravitationnelle est exactement égale à la masse inertielle, alors dans l'expression de l'accélération d'un corps sur lequel seules les forces gravitationnelles agissent, les deux masses s'annulent. Ainsi, l’accélération du corps, et donc sa trajectoire, ne dépend pas de la masse et structure interne corps. Si tous les corps au même point de l'espace reçoivent la même accélération, alors cette accélération peut être associée non pas aux propriétés des corps, mais aux propriétés de l'espace lui-même en ce point.

Ainsi, la description de l’interaction gravitationnelle entre corps peut se réduire à une description de l’espace-temps dans lequel les corps se déplacent. Il est naturel de supposer, comme l’a fait Einstein, que les corps se déplacent par inertie, c’est-à-dire de telle manière que leur accélération dans leur propre référentiel soit nulle. Les trajectoires des corps seront alors des lignes géodésiques dont la théorie a été développée par les mathématiciens dès le XIXe siècle.

Les lignes géodésiques elles-mêmes peuvent être trouvées en spécifiant dans l'espace-temps un analogue de la distance entre deux événements, traditionnellement appelé intervalle ou fonction mondiale. Un intervalle dans l'espace tridimensionnel et le temps unidimensionnel (en d'autres termes, dans l'espace-temps à quatre dimensions) est donné par 10 composantes indépendantes du tenseur métrique. Ces 10 nombres forment la métrique de l’espace. Il définit la « distance » entre deux points infiniment proches de l’espace-temps dans des directions différentes. Les lignes géodésiques correspondant aux lignes du monde des corps physiques dont la vitesse est inférieure à la vitesse de la lumière s'avèrent être des lignes du plus grand temps propre, c'est-à-dire le temps mesuré par une horloge rigidement fixée au corps suivant cette trajectoire. Les expériences modernes confirment le mouvement des corps le long de lignes géodésiques avec la même précision que l'égalité des masses gravitationnelles et inertielles.

Courbure de l'espace-temps

Si vous lancez deux corps parallèles l'un à l'autre à partir de deux points proches, alors dans le champ gravitationnel, ils commenceront progressivement à se rapprocher ou à s'éloigner l'un de l'autre. Cet effet est appelé déviation de ligne géodésique. Un effet similaire peut être observé directement si deux balles sont lancées parallèlement l'une à l'autre le long d'une membrane en caoutchouc sur laquelle un objet massif est placé au centre. Les boules se disperseront : celle qui était la plus proche de l'objet poussant à travers la membrane tendra plus fortement vers le centre que la boule la plus éloignée. Cet écart (déviation) est dû à la courbure de la membrane. De même, dans l'espace-temps, la déviation des géodésiques (la divergence des trajectoires des corps) est associée à sa courbure. La courbure de l’espace-temps est uniquement déterminée par sa métrique – le tenseur métrique. La différence entre la théorie générale de la relativité et les théories alternatives de la gravité est déterminée dans la plupart des cas précisément dans la méthode de connexion entre la matière (corps et champs de nature non gravitationnelle qui créent le champ gravitationnel) et les propriétés métriques de l'espace-temps.

Relativité générale espace-temps et principe d'équivalence forte

On croit souvent à tort que la base de la théorie de la relativité générale est le principe d'équivalence des champs gravitationnels et inertiels, qui peut être formulé comme suit :
Un système physique local, suffisamment petit en taille, situé dans un champ gravitationnel, ne se distingue pas par son comportement du même système situé dans un système de référence accéléré (par rapport au référentiel inertiel), immergé dans l'espace-temps plat de la théorie spéciale de la relativité.

Parfois, le même principe est postulé sous le nom de « validité locale de la relativité restreinte » ou appelé « principe d'équivalence forte ».

Historiquement, ce principe a joué un rôle important dans le développement de la théorie de la relativité générale et a été utilisé par Einstein dans son développement. Cependant, dans la forme la plus finale de la théorie, elle n'est en fait pas contenue, puisque l'espace-temps, à la fois dans le cadre de référence accéléré et dans le cadre de référence original de la théorie de la relativité restreinte, est non courbé - plat, et dans la théorie de la relativité générale, il est courbé par n'importe quel corps et précisément sa courbure provoque l'attraction gravitationnelle des corps.

Il est important de noter que la principale différence entre l'espace-temps de la théorie de la relativité générale et l'espace-temps de la théorie de la relativité restreinte est sa courbure, qui est exprimée par une quantité tensorielle - le tenseur de courbure. Dans l’espace-temps de la relativité restreinte, ce tenseur est identiquement égal à zéro et l’espace-temps est plat.

Pour cette raison, le nom de « théorie de la relativité générale » n’est pas tout à fait correct. Cette théorie n'est qu'une des nombreuses théories de la gravité actuellement envisagées par les physiciens, tandis que la théorie de la relativité restreinte (plus précisément, son principe de métrique de l'espace-temps) est généralement acceptée par la communauté scientifique et constitue la pierre angulaire de la base de la physique moderne. Il convient toutefois de noter qu’aucune des autres théories développées sur la gravité, à l’exception de la relativité générale, n’a résisté à l’épreuve du temps et de l’expérience.

Principales conséquences de la relativité générale

Selon le principe de correspondance, dans les champs gravitationnels faibles, les prédictions de la relativité générale coïncident avec les résultats de l'application de la loi de la gravitation universelle de Newton avec de petites corrections qui augmentent à mesure que l'intensité du champ augmente.

Les premières conséquences prédites et vérifiées expérimentalement de la relativité générale furent les trois effets classiques énumérés ci-dessous dans ordre chronologique leur premier chèque :
1. Déplacement supplémentaire du périhélie de l'orbite de Mercure par rapport aux prédictions de la mécanique newtonienne.
2. Déviation d'un faisceau lumineux dans le champ gravitationnel du Soleil.
3. Redshift gravitationnel, ou dilatation du temps dans un champ gravitationnel.

Il existe un certain nombre d’autres effets qui peuvent être vérifiés expérimentalement. Parmi eux, on peut citer la déviation et le décalage (effet Shapiro) ondes électromagnétiques dans le champ gravitationnel du Soleil et de Jupiter, l'effet Lense-Thirring (précession d'un gyroscope à proximité d'un corps en rotation), preuve astrophysique de l'existence de trous noirs, preuve de l'émission d'ondes gravitationnelles par des systèmes proches d'étoiles doubles et la expansion de l'Univers.

Jusqu’à présent, aucune preuve expérimentale fiable réfutant la relativité générale n’a été trouvée. Les écarts entre les tailles d'effet mesurées et celles prédites par la relativité générale ne dépassent pas 0,1 % (pour les trois phénomènes classiques ci-dessus). Malgré cela, pour diverses raisons, les théoriciens ont développé au moins 30 théories alternatives de la gravité, et certaines d'entre elles permettent d'obtenir des résultats arbitrairement proches de la relativité générale avec des valeurs appropriées des paramètres inclus dans la théorie.

La théorie de la relativité restreinte (STR) ou théorie partielle de la relativité est une théorie d'Albert Einstein, publiée en 1905 dans l'ouvrage « Sur l'électrodynamique des corps en mouvement » (Albert Einstein - Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, IV. Folge 17. Page 891-921 juin 1905).

Il expliquait le mouvement entre différents référentiels inertiels ou le mouvement de corps se déplaçant les uns par rapport aux autres à vitesse constante. Dans ce cas, aucun des objets ne doit être pris comme système de référence, mais ils doivent être considérés les uns par rapport aux autres. SRT ne prévoit qu'un seul cas où 2 corps ne changent pas la direction du mouvement et se déplacent uniformément.

Les lois du SRT cessent de s'appliquer lorsqu'un des corps change de trajectoire ou augmente sa vitesse. Ici, la théorie de la relativité générale (GTR) a lieu, donnant interprétation générale mouvement des objets.

Deux postulats sur lesquels repose la théorie de la relativité :

1. Le principe de relativité- Selon lui, dans tous les systèmes de référence existants, qui se déplacent les uns par rapport aux autres à vitesse constante et ne changent pas de direction, les mêmes lois s'appliquent.
2. Le principe de la vitesse de la lumière- La vitesse de la lumière est la même pour tous les observateurs et ne dépend pas de la vitesse de leur déplacement. C’est la vitesse la plus élevée, et rien dans la nature n’a une vitesse plus élevée. La vitesse de la lumière est de 3*10^8 m/s.

Albert Einstein s'est basé sur des données expérimentales plutôt que théoriques. Ce fut l'une des composantes de son succès. De nouvelles données expérimentales ont servi de base à la création d'une nouvelle théorie.

Depuis le milieu du XIXe siècle, les physiciens recherchent un nouveau milieu mystérieux appelé éther. On croyait que l'éther pouvait traverser tous les objets, mais ne participait pas à leur mouvement. Selon les croyances sur l'éther, en modifiant la vitesse du spectateur par rapport à l'éther, la vitesse de la lumière change également.

Einstein, faisant confiance aux expériences, a rejeté le concept d'un nouveau milieu éther et a supposé que la vitesse de la lumière est toujours constante et ne dépend d'aucune circonstance, comme la vitesse de l'homme lui-même.

Intervalles de temps, distances et leur uniformité

La théorie de la relativité restreinte relie le temps et l'espace. Dans l’Univers Matériel, il y en a 3 connus dans l’espace : droite et gauche, avant et arrière, haut et bas. Si nous y ajoutons une autre dimension, appelée temps, celle-ci formera la base du continuum espace-temps.

Si vous vous déplacez à vitesse lente, vos observations ne convergeront pas avec les personnes qui se déplacent plus rapidement.

Des expériences ultérieures ont confirmé que l'espace, comme le temps, ne peut pas être perçu de la même manière : notre perception dépend de la vitesse de déplacement des objets.

Relier l’énergie à la masse

Einstein a proposé une formule combinant l’énergie et la masse. Cette formule est largement utilisée en physique, et elle est familière à tous les étudiants : E=m*c², dans lequel E-énergie ; m - masse corporelle, c - vitesse propagation de la lumière.

La masse d’un corps augmente proportionnellement à l’augmentation de la vitesse de la lumière. Si l’on atteint la vitesse de la lumière, la masse et l’énergie d’un corps deviennent sans dimension.

En augmentant la masse d'un objet, il devient plus difficile d'augmenter sa vitesse, c'est-à-dire pour un corps avec une masse matérielle infiniment énorme, une énergie infinie est nécessaire. Mais en réalité, cela est impossible à réaliser.

La théorie d'Einstein combinait deux dispositions distinctes : la position de la masse et la position de l'énergie en une seule loi générale. Cela permettait de convertir l'énergie en masse matérielle et vice versa.