Un peu de physique...

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Les origines de la relativité

La relativité plonge ses racines dans la renaissance européenne. C’est Galileo Galilée qui a introduit le principe de la relativité qui a permis le développement de la physique moderne. C’est sur cette base qu’Isaac Newton a construit les bases de la mécanique classique. Les théories de Newton ont dominé la pensée scientifique pendant plus de deux siècles. Il faudra attendre la fin du XIXème siècle pour que commence à se fissurer l’édifice patiemment construit par des générations de brillants scientifiques. Les intuitions d’Einstein ont permis l’extraordinaire développement qu’ont connu les sciences au XXème siècle. Elles ont profondément modifié notre conception du monde qui nous entoure.

 

Relativité restreinte

La théorie de la relativité restreinte est née d’une réflexion sur la notion de simultanéité. L’expérience de Michelson et Morley a renversé toutes les certitudes que nous avions sur l’existence d’un temps absolu. Il revient à Einstein d’avoir compris la profondeur des bouleversements qui en découlait. En constatant que temps et d’espace étaient indissociablement liés, il en vint logiquement à la conclusion qu’il n’y avait aucune différence entre matière et énergie. La théorie de la relativité générale réconcilie électromagnétisme et mécanique. Elle induit en contrepartie des phénomènes particuliers inexplicables par la physique classique (effet Doppler relativiste).

 

Relativité générale

Si l’on veut comprendre la relativité générale, il est indispensable de passer un peu de temps à se familiariser avec la géométrie non euclidienne et les espaces courbes. Métriques et géodésiques sont des outils incontournables pour la bonne compréhension de cette théorie. La relativité générale est une théorie dont la formulation est simple et élégante. L’analyse de la trajectoire d’un corps dans l’espace-temps courbe de la relativité générale requiert cependant un certain degré de formalisme et d’abstraction. Elle demande de revisiter certaines bases de la mécanique classique, en particulier le principe de moindre action et la notion de Lagrangien. La relativité restreinte apparaît dans ce cadre comme un cas particulier de la relativité dans le cas d’un espace-temps rigide. L'existence d'ondes gravitationnelles est une prédiction de la relativité générale qui n'a pas encore été vérifiée de manière directe. Leur détection est l'un des objectifs de la recherche actuelle.

 

Etoiles et trous noirs

La relativité générale apporte des outils conceptuels très efficaces pour comprendre le comportement des planètes autour des étoiles. Elle a également permis de faire une avancée décisive dans la compréhension d’objets très exotiques comme le sont les étoiles à neutrons ou les trous noirs. La métrique de Schwarzschild constitue une très bonne approximation pour comprendre la dynamique des planètes et certains phénomènes particuliers comme la précession du périhélie de Mercure ou la déviation des rayons lumineux à proximité du soleil. Sa formulation relativement simple permet de déterminer complètement la trajectoire des rayons lumineux ou des corps massifs autour d’une étoile. La métrique de Schwarzschild constitue également une très bonne entrée en matière pour comprendre les étranges caractéristiques des trous noirs. La métrique de Kerr est d’un abord plus ardu. Elle requiert plus d’efforts pour être comprise. Cet effort est récompensé lorsqu’on prend conscience des extraordinaires propriétés des trous noirs en rotation. Pour terminer ce voyage dans les étoiles, il n'est pas ininteressant de se poser quelques questions sur les bouleversements apportés par la relativité générale à la notion de temps...

 

Cosmologie

La relativité générale a permis le développement spectaculaire de la cosmologie scientifique au XXème siècle. La métrique de Friedmann en constitue la base. Les différentes solutions de l’équation d’Einstein qui respectent cette métrique ont permis aux astrophysiciens de construire un modèle de l’évolution de l’Univers. Tous les épisodes de l’histoire de l’Univers depuis le Big-bang jusqu’à aujourd’hui peuvent en effet être modélisés grâce aux équations de Friedmann. Le modèle standard de la cosmologie combine les résultats les plus avancés de la recherche scientifique dans le domaine de la physique des particules et ceux de la relativité générale. Il ouvre la porte d’un monde fascinant dans lequel sont à l’œuvre des processus qui mettent en jeu des puissances colossales. Parmi ceux-ci, l'effondrement gravitationnel est la clef pour comprendre l'histoire de l'Univers et les astres hors norme qui le peuplent : étoiles à neutrons, quasars, pulsars, trous noirs... Comme le dit si joliment Hubert Reeves : nous sommes tous des poussières d’étoiles.

 

Physique quantique

Ce panorama de la physique moderne ne serait pas complet sans un détour par la physique quantique. Dans la physique quantique, tout ce qui n’est pas interdit finit un jour par se réaliser. Cela donne lieu à d’étranges phénomènes. L’intrication quantique et les interférences font en effet partie des phénomènes physiques les plus déroutants qui soient. La physique quantique fait appel à un formalisme un peu ardu. Les groupes de Lie et la symétrie de jauge y jouent un rôle central. L'investissement intellectuel en vaut la peine : la physique quantique permet de comprendre les ressorts intimes de nombreux phénomènes physiques ou chimiques, depuis la structure des atomes jusqu'aux propriétés électriques et aux réactions chimiques des matériaux. L'ensemble s'intègre dans ce que l'on appelle le modèle standard des particules qui explique jusqu'à l'origine de la masse de la matière ! Relativité générale et physique quantique se heurtent cependant toutes deux au mur de Planck au-delà duquel elles sont irréconciliables. Différentes tentatives ont vu le jour pour les intégrer dans une théorie plus ambitieuse : la gravité quantique. Les plus abouties ont pour nom théorie des cordes et gravitation quantique à boucles. Elles sont toutes deux fascinantes… et inachevées.

 

 

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