Comment tout cela a-t-il commencé?
A la fin du XIXe siècle, la physique se trouve en crise : il existe des
Théorie spéciale de la relativité
Cependant, aucun de ces éminents physiciensréussi à rassembler toute l’histoire. L'espoir restait chez le jeune Albert Einstein, qui, à cette époque, avait déjà commencé à aborder le problème d'une manière nouvelle. À seize ans, il se demandait ce que ça ferait de voyager avec un faisceau de lumière ? En 1905, il avait montré que les résultats de Fitzgerald et Lorentz découlaient d'une hypothèse simple mais radicale : les lois de la physique et la vitesse de la lumière doivent être les mêmes pour tous les observateurs en mouvement uniforme, quel que soit leur état de mouvement relatif.
Pour que cela « marche », il y a plus d’espace et de tempsne peut pas être indépendant. Au contraire, ils se « convertissent » les uns dans les autres de telle manière que la vitesse de la lumière reste constante pour tous les observateurs. C’est pourquoi les objets en mouvement semblent rétrécir, comme l’ont théorisé Fitzgerald et Lorentz, et pourquoi les observateurs en mouvement peuvent mesurer le temps différemment, comme l’a théorisé Poincaré. L'espace et le temps sont relatifs, c'est-à-dire Autrement dit, ils dépendent du mouvement de l’observateur qui les mesure – et la lumière est plus fondamentale que les deux. C'est la base de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein (« spéciale » fait référence à la limitation du mouvement uniforme).
Principe d'équivalence
Peu de temps après avoir terminé sa théorie spécialeEinstein a eu « la pensée la plus heureuse de sa vie ». Cela s'est produit en 1907 alors qu'il était assis sur sa chaise à l'Office des brevets de Berne et se demandait ce que cela ferait d'essayer de laisser tomber une balle en tombant du côté d'un immeuble. Einstein s'est rendu compte qu'une personne accélérant vers le bas avec une balle ne serait pas capable de détecter l'effet de la gravité sur celle-ci. L'observateur peut « transformer » gravité (au moins à proximité immédiate) simplement en se déplaçant dans ce cadre de référence accéléré - quel que soit l'objet lâché. La gravité est (localement) équivalente à l'accélération. C'est le principe d'équivalence.
Pour comprendre à quel point il est merveilleuxprincipe d'équivalence, imaginez ce qui se passerait si la gravité agissait de la même manière que les autres forces. Si la gravité était comme l’électricité, par exemple, alors les boules avec plus de charge seraient plus fortement attirées vers la Terre et tomberaient donc plus vite que les boules avec moins de charge. Il n’y aurait aucun moyen de transformer de tels effets en passant au même cadre de référence accéléré pour tous les objets. Mais la gravité est « aveugle à la matière » : elle affecte tous les objets de la même manière. De ce fait, Einstein a tiré la conclusion impressionnante que la gravité ne dépend pas des propriétés de la matière (comme, par exemple, l'électricité dépend de la charge électrique). Le phénomène de gravité doit plutôt provenir d’une propriété de l’espace-temps.
La gravité comme espace-temps courbe
Einstein a finalement déterminé la propriétél'espace-temps, responsable de la gravité, ainsi que de sa courbure. L'espace et le temps dans l'univers d'Einstein ne sont plus plats (comme Newton le supposait implicitement), mais peuvent être tirés, étirés et déformés par la matière. La gravité est ressentie le plus fortement là où l’espace-temps est le plus courbé et disparaît là où l’espace-temps est plat. C'est l'essence de la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui peut souvent être exprimée par les mots : « la matière dit à l'espace-temps comment se plier, et l'espace-temps courbe dit à la matière comment se déplacer ».
La manière standard d'illustrer cette idée est -placez une boule de bowling (représentant, par exemple, un objet massif tel que le soleil) sur une feuille de caoutchouc étirée (représentant l'espace-temps). Si vous mettez une balle sur une bâche en caoutchouc, elle roulera vers la boule de bowling et pourra même être mise en «orbite» autour de la boule de bowling. Ce n'est pas parce que la plus petite masse est "attirée" par la force émanant de la plus grande, mais parce qu'elle se déplace le long d'une surface qui a été déformée par la présence de la plus grande masse.
De même, la gravité dans la théorie d'Einsteinn'apparaît pas comme une force se propageant dans l'espace-temps, mais plutôt comme une caractéristique de l'espace-temps lui-même. Selon Einstein, votre poids sur Terre est dû au fait que votre corps voyage dans un espace-temps courbe.
Théorie générale de la relativité
Théorie générale de la relativité (relativité générale; it. allgemeine Relativitätstheorie) - la théorie géométrique de la gravitation, qui développe la théorie de la relativité spéciale (SRT), qui postule que les forces gravitationnelles et inertielles sont de même nature.
Il s'ensuit donc que les effets gravitationnelsne sont pas provoquées par l'interaction de force des corps et des champs situés dans l'espace-temps, mais par la déformation de l'espace-temps lui-même, qui est associée, en particulier, à la présence de masse-énergie.
La relativité générale diffère des autres théories métriques de la gravitation en utilisant les équations d'Einstein pour relier la courbure de l'espace-temps à la matière qui y est présente
La relativité générale est basée sur la physiquesur le principe de l'équivalence, mais cette théorie a un deuxième fondement plus mathématique. Connu sous le nom de principe de covariance générale, il s'agit d'une exigence que la loi de la gravitation universelle soit la même pour tous les observateurs, même ceux qui accélèrent, quelles que soient les coordonnées dans lesquelles elle est décrite. C'est pour cette raison qu'Einstein a qualifié sa nouvelle théorie de "théorie générale" et non "spéciale" de la relativité - il a supprimé la restriction précédemment existante sur les observateurs en mouvement uniforme. Cela s'est avéré être le problème le plus difficile qu'Einstein ait jamais rencontré. Comme il l'a dit plus tard, exprimer des lois physiques sans coordonnées revient à «décrire des pensées sans mots». Le physicien devait maîtriser les mathématiques abstraites des surfaces et leur description en termes de tenseurs.
Qu'est-ce que les scientifiques ont découvert?
La gravité d'un trou noir est si forte queplie l’espace. Elle agit comme une sorte de loupe, c'est pourquoi l'ombre de cet objet cosmique apparaît plus grande qu'elle ne l'est réellement. Les scientifiques du Event Horizon Telescope (EHT) ont étudié cette distorsion visuelle et ont découvert que la taille réelle de l'ombre du trou noir M87 correspond aux prédictions de la théorie de la relativité générale d'Einstein.
Comme le précise Keiichi Asada, membre du conseil scientifique de l'EHTet expert en observations radio des trous noirs à l'Institut d'astronomie et d'astrophysique Academia Sinica, leur méthode est "une toute nouvelle façon de tester la relativité générale à l'aide de trous noirs supermassifs".
Comment les scientifiques sont-ils arrivés à leurs conclusions?
Lorsque le premier a été publié en avril 2019image d'un trou noir, elle est devenue une puissante confirmation de la théorie de la gravité, ou relativité générale, d'Albert Einstein. La théorie décrit non seulement comment la matière déforme l'espace-temps, mais prédit également l'existence même des trous noirs, y compris la taille de l'ombre projetée par le trou noir sur le matériau brillant du disque qui tourne autour de certains objets denses.
Pour effectuer le test, l'équipe a utilisé le premierimage jamais capturée du trou noir supermassif au centre de la galaxie voisine M87 à une distance d'environ 55 millions d'années-lumière, prise par l'EHT l'année dernière.
Image emblématique du noir supermassifLe trou a montré que l'ombre correspond pleinement aux prédictions de la relativité générale concernant sa taille. En d’autres termes, Einstein avait encore raison.
Ce résultat, rapporté par Event Horizon Telescope Collaboration, a répondu à une question: la taille du trou noir M87 correspond-elle à la relativité générale?
Mais «il est très difficile de répondre au contrairela question est: dans quelle mesure puis-je modifier la relativité générale tout en respectant les mesures [du trou noir]? », a déclaré Dimitrios Psaltis, scientifique de l'équipe EHT, de l'Université de l'Arizona à Tucson. Cette question est essentielle car il est encore possible qu'une autre théorie de la gravité puisse décrire l'univers, mais déguisée en relativité générale.
La probabilité d'Einstein de se tromper a été réduite 500 fois
Dans une étude publiée le 1er octobre dans Physical Review Letters, Psaltis et ses collègues ont utilisé l'ombre du trou noir M87 pour franchir une étape importante dans la réfutation de ces théories alternatives.
L'équipe a mené une analyse très large de nombreuxmodifications de la relativité générale pour définir une caractéristique unique de la théorie de la gravité qui détermine la taille de l'ombre d'un trou noir. Les scientifiques se sont concentrés sur un certain nombre d'alternatives qui ont passé tous les tests précédents dans le système solaire.
«En utilisant le capteur que nous avons développé, nousa montré que la taille mesurée de l'ombre du trou noir dans M87 réduit la marge de manœuvre pour les modifications de la théorie de la relativité générale d'Einstein de près de 500 fois par rapport aux tests précédents dans le système solaire », explique Ferial Ozel, professeur d'astrophysique à Uarizona, membre senior de la collaboration EHT. "De nombreuses façons de modifier la relativité générale échouent dans ce nouveau test d'ombre du trou noir plus difficile."
Visualisation d'un nouveau capteur conçu pour tester les prédictions des théories modifiées de la gravité par rapport à une mesure de la taille de l'ombre de M87.
Crédit : D. Psaltis, Université de l'Arizona ; ISE
Pour avoir confiance dans les résultats, les scientifiquesa utilisé la taille d’un trou noir pour effectuer ce que l’on appelle un test de « second ordre » de relativité générale. C'est "impossible à faire dans le système solaire" car le champ gravitationnel est trop faible, explique Leah Medeiros de l'Institute for Advanced Study de Princeton, également membre de l'EHT.
Tests théoriques d'Einstein
En général, maintenant les physiciens présentent une théorie généralela relativité comme un ensemble de corrections ou d'ajouts à la théorie de la gravité de Newton. La relativité générale prédit ce que devraient être ces superstructures. Si les mesures du fonctionnement de la gravité dans l'univers s'écartent de ces prédictions, alors les physiciens savent que la relativité générale n'est pas tout. Plus il y a d'ajouts ou de facteurs ajoutés au test, plus le résultat est fiable. De nouveaux tests et contrôles sur les trous noirs ne seront pas longs à venir.
Simulation du trou noir M87 montrantle mouvement du plasma qui tourbillonne autour du trou noir. L'anneau fin et brillant qui peut être vu en bleu est le bord de ce que nous appelons l'ombre du trou noir. Photo: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.
Cependant, si la relativité générale était confirmée, pourquoi certains physiciens sont-ils mécontents des résultats? Le fait est que la relativité générale est en conflit avec la mécanique quantique.
Relativité vs mécanique quantique: la bataille de l'univers
Les physiciens ont passé des décennies à essayer de concilier deux théories très différentes. Et si tout est clair avec la théorie générale de la relativité, alors pourquoi la mécanique quantique refuse-t-elle d'obéir aux lois d'Einstein?
Les physiciens ont actuellement deuxun ensemble de règles qui expliquent le fonctionnement de la nature. Il existe une théorie de la relativité générale qui explique parfaitement la gravité et tout ce qu'elle détermine : la rotation des planètes, les collisions de galaxies, la dynamique de l'Univers en expansion dans son ensemble. C'est la « science des grandes choses ».
Et il y a aussi la mécanique quantique, qui traiteavec trois autres forces : l'électromagnétisme et deux forces nucléaires. La théorie quantique est extrêmement compétente pour décrire ce qui se produit lorsqu'un atome d'uranium se désintègre ou lorsque des particules de lumière individuelles pénètrent dans une cellule solaire. C'est la « science des petites choses ».
Mécanique quantique - une section de la théoriephysique, décrivant des phénomènes physiques dans lesquels l'action est comparable en ampleur à la constante de Planck. Les prédictions de la mécanique quantique peuvent différer considérablement des prédictions de la mécanique classique.
Le choc des descriptions vraiment incompatibles de la réalité
Passons maintenant au problème: la théorie de la relativité et la mécanique quantique sont des théories fondamentalement différentes qui ont des formulations différentes. Ce n'est pas seulement une question de terminologie scientifique; c'est un choc de descriptions vraiment incompatibles de la réalité.
Le conflit entre les deux moitiés de la physique se prépare depuis plus d'un siècle - provoqué par quelques travaux d'Einstein en 1905, dont l'un décrit la théorie de la relativité et l'autre - quantique.
Essentiellement, vous pouvez penser à une division entrethéorie de la relativité et des systèmes quantiques comme « douces » et « courtes ». En relativité générale, les événements sont continus et déterministes, ce qui signifie que chaque cause correspond à un effet local spécifique.
En mécanique quantique, les événements provoqués parles interactions des particules subatomiques se produisent par sauts (oui, des sauts quantiques) avec des résultats probabilistes plutôt que définis. Les règles quantiques autorisent des connexions interdites par la physique classique. Cela a été démontré dans une expérience largement discutée. Les scientifiques ont ensuite démontré que deux particules – en l’occurrence des électrons – peuvent s’influencer instantanément, même si elles sont éloignées de plusieurs kilomètres. Lorsque vous essayez d’interpréter des lois relativistes douces dans un style quantique succinct, ou vice versa, les choses ne se passent pas comme prévu.
Des réponses sans signification
La relativité donne des réponses dénuées de sens quandvous essayez de le réduire à une taille quantique, pour finalement tomber à des valeurs infinies dans votre description de la gravité. De même, la mécanique quantique se heurte à de graves problèmes lorsque vous la gonflez à des proportions cosmiques. Les champs quantiques transportent une certaine quantité d'énergie même dans un espace apparemment vide, et la quantité d'énergie devient plus grande à mesure que les champs augmentent. Selon Einstein, l'énergie et la masse sont équivalentes (ce message est E = mc 2), donc accumuler de l'énergie est exactement comme accumuler de la masse. Suffisamment grande pour que la quantité d'énergie dans les champs quantiques devienne si grande qu'elle crée un trou noir qui fait plier l'univers en lui-même. Cependant, comme vous pouvez le voir, cela ne se produit pas.
En termes simples, la mécanique quantique est incompatible avec la relativité générale, car dans la théorie quantique des champs, les forces agissent localement par l'échange de quanta bien définis.
Quelle est la ligne du bas?
Du coup, le nouveau résultat est un peu décevant.physiciens espérant trouver des fissures dans la théorie d'Einstein. Trouver un écart par rapport à la relativité générale pourrait ouvrir la voie à une nouvelle physique. Ou cela pourrait aider à combiner la relativité générale, la physique des très grands et la mécanique quantique, la principale théorie qui décrit la physique des très petits objets, tels que les particules subatomiques et les atomes. Le fait que la relativité générale refuse toujours d'obéir «inquiète ceux d'entre nous qui sont assez vieux pour espérer obtenir une réponse de notre vivant», dit Psaltis.
Tester la théorie de la gravité est une recherche constante:Les prédictions de la relativité générale sont-elles suffisamment bonnes pour différents objets astrophysiques pour que les astrophysiciens ne s'inquiètent pas des éventuelles différences ou modifications de la relativité générale?
Illustration des différentes forces des champs gravitationnels,explorée avec des tests cosmologiques, des tests du système solaire et des trous noirs. Crédit d'image: D. Psaltis, Université de l'Arizona; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
Cependant, les futures observations avec l'EHT permettront encoretests précis de relativité générale, notamment avec des images inédites de Sgr A * (Sagittaire A *), un trou noir au centre de la Voie lactée. Avec des mesures beaucoup plus précises de la masse de Sgr A * que tout autre trou noir supermassif, cette image pourrait changer la relativité générale.
Sagittaire A *. Cette image a été capturée par Chandra, l'observatoire à rayons X de la NASA. Les échos légers sont marqués d'ellipses. Image complète - 12,5 minutes d'arc (source)
« Les images de trous noirs révèlent complètementun nouvel angle pour tester la théorie générale de la relativité d'Einstein », explique Michael Kramer, directeur de l'Institut Max Planck de radioastronomie et membre de la collaboration EHT.
«Avec les observations des ondes gravitationnelles, cela marque le début d'une nouvelle ère dans l'astrophysique des trous noirs», est convaincu Psaltis.
"Lorsque nous obtenons une image d'un trou noir au centre de notre propre galaxie, nous pouvons limiter davantage les écarts par rapport à la relativité générale", conclut Ozel.
Einstein aura-t-il raison alors ? Et quel est le sort de la mécanique quantique ?
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