Un diagramme d'une forte courbure de l'espace-temps près de l'horizon des événements d'un trou noir. Plus vous vous rapprochez d'un corps massif, plus l'espace est incurvé. En conséquence, vous vous trouvez dans un endroit d'où même la lumière ne peut pas s'échapper: à l'intérieur de l'horizon des événements.
La plupart des gens, pensant à l'Univers, imaginent des objets matériels situés à d'énormes distances cosmiques les uns des autres. Sous l'influence de sa propre gravité, la matière s'effondre, formant des structures cosmiques telles que les galaxies. Les nuages de gaz, qui s'effondrent, donnent naissance aux étoiles et aux planètes. Les étoiles émettent de la lumière en brûlant du carburant lors de réactions de fusion nucléaire. Cette lumière voyage dans tout l'univers, illuminant tout ce qui se présente. Cependant, l'univers ne concerne pas uniquement les objets qu'il contient. Il y a aussi le tissu de l'espace-temps, qui joue par ses propres règles - par les règles de la théorie générale de la relativité (GR). Le tissu de l'espace-temps est courbé en présence de matière et d'énergie, tandis que la courbure même du tissu de l'espace-temps dicte comment la matière et l'énergie se déplacent. Mais ce qui est, spécifiquement, l'espace-temps est quelque chose de "réel",ou juste un outil de calcul? Le lecteur nous interroge à ce sujet:
Qu'est-ce que l'espace-temps exactement? Est-ce une chose réelle comme les atomes, ou est-ce une construction mathématique utilisée pour décrire comment la masse "génère" la gravité?
Excellente question, et le sujet est assez difficile à réfléchir. De plus, avant l'apparition d'Einstein, notre compréhension de l'univers était très différente de celle actuelle. Revenons au passé lointain de l'Univers, lorsque nous n'avions pas encore le concept d'espace-temps, et nous avancerons jusqu'à aujourd'hui.
À toutes les échelles, du macroscopique au subatomique, les tailles des particules fondamentales jouent peu de rôle dans la détermination des tailles finales des structures composites. On ignore encore si ces éléments constitutifs de la matière sont des particules ponctuelles véritablement fondamentales. Cependant, nous comprenons la structure de l'Univers depuis des échelles cosmiques gigantesques jusqu'aux minuscules échelles subatomiques. Par exemple, le corps humain contient environ 1028 atomes.
À un niveau fondamental, nous soupçonnons depuis longtemps que si vous prenez un objet de l'Univers et commencez à le diviser en composants de plus en plus petits, vous pouvez éventuellement réaliser quelque chose d'indivisible. Le mot «atome» signifie littéralement «indivisible», du grec ἄτομος. La première mention de cette idée se produit il y a 2400 ans, à Démocrite... Cependant, il est probable que l'idée aurait pu être inventée plus tôt. De telles entités indivisibles existent réellement - elles sont connues sous le nom de particules quantiques. Malgré le fait que nous ayons appelé les éléments du tableau périodique des atomes, les particules subatomiques - quarks, gluons et électrons (ainsi que les particules qui ne se produisent pas du tout dans les atomes) sont vraiment indivisibles.
Tous ces quanta se lient ensemble et constituent toutes les structures constitutives de l'Univers que nous connaissons aujourd'hui - des protons et des atomes aux molécules et aux personnes. Et tous ces quanta, quel que soit leur type - matière ou antimatière, qu'ils aient une masse ou non, fondamentale ou composite, subatomique ou cosmique - existent dans le cadre du même Univers que nous.
Si vous connaissez toutes les règles régissant le mouvement d'un objet dans l'espace-temps, ainsi que les conditions initiales et toutes les forces agissant entre l'objet et le reste du système, vous pouvez prédire comment il se déplacera dans l'espace et le temps. Mais l'emplacement d'un objet ne peut pas être spécifié avec précision sans en ajouter un temporel aux coordonnées spatiales.
Et c'est important, car si vous voulez que toutes les choses de l'Univers fassent quelque chose les unes avec les autres - interagir, se connecter, former des structures, transférer de l'énergie - vous devez avoir un moyen de le faire. Imaginez une pièce dans laquelle tous les personnages sont écrits, les acteurs sont prêts à les jouer, les costumes sont préparés, toutes les lignes sont écrites et apprises. La seule chose qui manque est une chose très importante - la scène.
Quel est le rôle de la scène en physique?
Avant l'apparition d'Einstein, la scène a été mise en place par Newton. Tous les «acteurs» de l'Univers pourraient être décrits par un ensemble de coordonnées - un emplacement dans un espace tridimensionnel et un moment dans le temps. C'était comme une grille cartésienne - une structure tridimensionnelle avec les axes x, y et z, où chaque objet peut avoir une impulsion qui décrit comment il se déplace dans l'espace en fonction du temps. Le temps lui-même était considéré comme linéaire, fonctionnant à une vitesse constante. Pour Newton, l'espace et le temps étaient absolus.
Nous considérons souvent l'espace comme un réseau tridimensionnel, bien que ce soit une simplification excessive qui dépend du cadre de référence. En fait, l'espace-temps est courbé en présence de matière et d'énergie, et les distances ne sont pas fixes, mais changent avec l'expansion ou la contraction de l'univers.
Cependant, la découverte de la radioactivité à la fin du XIXe siècle a jeté une ombre de doute sur l'image que Newton se fait du monde. En apprenant que les atomes peuvent émettre des particules subatomiques se déplaçant à la vitesse de la lumière, nous avons réalisé quelque chose d'étonnant: lorsqu'une particule se déplace à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, elle perçoit l'espace et le temps d'une manière complètement différente d'un objet se déplaçant lentement ou à du repos.
Les particules instables, qui se désintègrent très rapidement au repos, vivent plus longtemps, plus leur vitesse est proche de la vitesse de la lumière. Ces particules ont parcouru des distances plus longues qu'elles n'auraient dû, en fonction de leur vitesse et de leur durée de vie. Et en essayant de calculer l'énergie ou l'élan d'une particule en mouvement, différents observateurs (se déplaçant à des vitesses différentes par rapport à celle-ci) ont reçu des valeurs non coïncidentes.
Il s'avère que quelque chose n'allait pas avec le concept d'espace-temps de Newton. À des vitesses proches de la vitesse de la lumière, le temps s'allonge, les distances se contractent, et l'énergie et l'élan dépendent du cadre de référence. Autrement dit, votre perception de l'univers dépend de la façon dont vous vous déplacez.
Une horloge lumineuse, dans laquelle un proton est réfléchi par deux miroirs, peut compter le temps pour n'importe quel observateur. Et bien que les deux observateurs puissent être en désaccord sur le temps écoulé entre les deux moments, ils peuvent s'entendre sur les lois de la physique et les constantes de l'univers, en particulier la vitesse de la lumière. Pour un observateur stationnaire, le temps passe comme d'habitude, et pour une personne se déplaçant rapidement, l'horloge ira plus lentement que pour une personne stationnaire.
Einstein est responsable d'une percée remarquable dans le concept de réalité, qui décrit quelles quantités ne changent pas lorsque l'observateur se déplace, et lesquelles dépendent du cadre de référence. Par exemple, la vitesse de la lumière est la même pour tous les observateurs, tout comme la masse résiduelle de toute quantité de matière. Mais la distance entre deux points dépend fortement de votre mouvement le long de la ligne qui les relie. La vitesse à laquelle votre montre fonctionne dépend également de votre mouvement.
L'espace et le temps se sont révélés non absolus, comme le pensait Newton, et ont été perçus par différents observateurs de différentes manières. Ils se sont avérés relatifs, c'est pourquoi la théorie est appelée «théorie de la relativité». De plus, il existe un lien certain entre la perception de l'espace et du temps par un certain observateur. Quelques années après la publication par Einstein de la théorie de la relativité spéciale (STR), elle a été dérivée par son ancien professeur Hermann Minkowski. Il en déduit une seule structure mathématique qui inclut l'espace et le temps: l'espace-temps. Comme il l'écrivait lui-même,
désormais, le temps lui-même et l'espace en soi deviennent une fiction vide, et seule leur unité conserve une chance pour la réalité.
Aujourd'hui cet espace-temps est encore largement utilisé, si la gravité peut être négligée: Espace Minkowski .
Un cône de lumière, une surface tridimensionnelle composée de tous les rayons de lumière possibles allant et venant d'un point de l'espace-temps. Plus vous passez dans l'espace, moins vous passez dans le temps, et vice versa. Aujourd'hui, vous ne pouvez être influencé que par ce qui était dans le cône de lumière du passé. À l'avenir, vous ne pourrez percevoir que les choses contenues dans votre futur cône de lumière. Ceci est une illustration d'un espace plat de Minkowski, pas d'un espace courbe de relativité générale.
Mais il y a de la gravité dans l'univers réel. Cette force n'agit pas instantanément à travers les vastes étendues de l'espace. Il se propage à la même vitesse que tous les quanta sans masse: à la vitesse de la lumière. Toutes les règles formulées dans le SRT restent applicables, mais pour inclure la gravité dans l'image, il fallait quelque chose de plus: l'idée de la présence de l'espace-temps de sa propre courbure, en fonction de la présence de matière et d'énergie.
D'une certaine manière, c'est simple: si vous placez des acteurs sur la scène, la scène doit pouvoir supporter leur poids. Si les acteurs sont massifs et que la scène n'est pas parfaitement rugueuse, elle se déformera en leur présence.
Le même phénomène fonctionne avec l'espace-temps: la présence de matière et d'énergie le plie, et cette courbure affecte la distance (l'espace) et la vitesse de l'horloge (le temps). De plus, cette influence s'avère assez complexe. Si nous calculons l'influence de la matière et de l'énergie sur l'espace-temps, alors les effets spatiaux et temporels sont liés. Les lignes du réseau tridimensionnel, que nous avons représenté en SRT, sont courbes en GRT.
L'apparition de masse dans un treillis tridimensionnel vide fait plier ses lignes d'une certaine manière. Ils semblent étirés vers la masse.
L'espace-temps peut être considéré comme un outil purement informatique, et s'arrêter là. En mathématiques, même l'espace-temps peut être décrit avec un tenseur métrique. Ce formalisme permet de calculer, comme n'importe quel champ, ligne, arc, distance, etc. peut y exister d'une certaine manière précisément décrite. L'espace peut être plat ou arbitrairement courbé, fini ou infini, ouvert ou fermé, et se composer de n'importe quel nombre de dimensions. En relativité générale, le tenseur métrique est à quatre dimensions (avec trois dimensions spatiales et une dimension temporelle), et la courbure de l'espace-temps est déterminée par la matière, l'énergie et ses tensions internes.
En termes simples, la courbure de l'espace-temps est déterminée par le contenu de l'univers. Et puis vous pouvez prendre la courbure de l'espace-temps et prédire comment toute pièce de matière et d'énergie se déplacera et changera avec le temps. Les règles de la relativité générale nous permettent de prédire comment la matière, la lumière, l'antimatière, les neutrinos et même les ondes gravitationnelles se déplaceront dans l'univers. Toutes ces prévisions sont en parfait accord avec nos observations et mesures.
Le signal de l'événement GW190521 associé à l'apparition d'ondes gravitationnelles, enregistré par trois détecteurs. La durée du signal était d'environ 13 ms, mais elle représente l'énergie équivalente à la conversion de 8 masses solaires en énergie pure via l'équation d'Einstein E = mc 2 .
Ce que nous ne mesurons pas, c'est l'espace-temps lui-même. Nous pouvons mesurer les distances et les intervalles de temps - mais ce sont tous des détections indirectes de l'espace-temps sous-jacent. Nous pouvons mesurer tout ce qui interagit avec nous - corps, instruments, détecteurs - cependant, l'interaction ne se produit que lorsqu'il y a deux objets au même point dans l'espace-temps, lorsqu'un «événement» est enregistré lorsqu'ils se rencontrent.
Nous pouvons mesurer tous les effets de l'espace-temps courbe sur la matière et l'énergie de l'univers, à savoir:
- Redshift de rayonnement généré par l'expansion de l'Univers;
- Flexion de la lumière due à la présence de masses au premier plan;
- Entraînement des référentiels inertiels en présence d'un corps tournant;
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Et aussi de nombreuses autres influences. Cependant, du fait que nous ne pouvons mesurer que l'effet de l'espace-temps sur la matière et l'énergie de l'Univers, mais pas l'espace-temps lui-même, il s'ensuit que l'espace-temps se comporte d'une manière indiscernable d'un simple outil de calcul.
La gravité quantique essaie de combiner la relativité générale d'Einstein avec la mécanique quantique. Les corrections quantiques pour la gravité classique sont indiquées sous forme de diagrammes en boucle, comme celui représenté sur la figure en blanc. Si le modèle standard est étendu pour inclure la gravité, la symétrie décrivant le CPT (symétrie de Lorentz) ne peut devenir qu'approximative et ses violations peuvent apparaître. Cependant, jusqu'à présent, aucune violation de ce type n'a été observée dans les expériences.
Mais cela ne signifie pas que l'espace-temps n'est pas une véritable entité physique. En observant les acteurs jouer une pièce, vous avez le droit d'appeler le lieu où la pièce se déroule, une «scène», que ce soit un champ, une plate-forme, un sol nu, etc. Même si la pièce était jouée dans l'apesanteur de l'espace, vous pourriez simplement noter qu'un cadre de référence tombant librement est utilisé comme scène.
Dans l'univers physique, à notre connaissance, l'existence d'objets et l'interaction entre eux est impossible sans espace-temps. Là où il y a de l'espace-temps, les lois de la physique fonctionnent, et il y a des champs quantiques fondamentaux qui sous-tendent tout. En un sens, «rien» est un vide d'espace-temps vide, et parler de ce qui se passe en l'absence d'espace-temps n'a aucun sens - du moins du point de vue de la physique. Cela n'a aucun sens de parler de «où», qui se situe en dehors des limites de l'espace, et de «quand», qui est au-delà des limites du temps. Peut-être que quelque chose comme ça existe, mais nous n'avons aucun concept physique de cette entité.
Animation de l'interaction de l'espace-temps avec la masse qui le traverse. On peut en déduire que l'espace-temps n'est pas qu'une sorte de tissu. Tout l'espace tridimensionnel est courbé en présence de masse et d'énergie. Plusieurs masses tournant l'une autour de l'autre génèrent des ondes gravitationnelles.
Le plus intéressant est que nous avons encore de nombreuses questions sans réponse sur la nature de l'espace-temps. L'espace et le temps sont-ils quantiques et discrets, divisés en régions invisibles, ou sont-ils continus? La gravité est-elle une interaction quantique, comme toutes les autres forces connues, ou s'agit-il d'une toile continue classique qui s'étend jusqu'aux échelles de Planck? Si l'espace-temps diffère de ce que nous dit la relativité générale, alors comment exactement et comment pouvons-nous le détecter?
Mais, malgré tout ce que l'espace-temps nous permet de prédire et de savoir, ce n'est pas la même entité réelle que l'atome. Il est impossible d'une certaine manière de «détecter» directement l'espace-temps - vous ne pouvez détecter que des quanta individuels de matière et d'énergie existant dans votre espace-temps. Nous avons décrit l'espace-temps sous la forme de la relativité générale d'Einstein, qui prédit et explique avec succès tous les phénomènes physiques que nous avons jamais découverts et mesurés. Cependant, la question de savoir ce que c'est, et si elle est réelle ou non, reste ouverte à la science moderne.