Teste experimentale ale relativității generale

Relativitatea generală are reputația de a fi o teorie extrem de matematică, care nu a fost inițial bazat pe observații. Cu toate acestea, chiar dacă postulatele ei nu sunt direct testabile, ea prezice multe efecte observabile ale abaterilor de la teoriile fizice anterioare. Prin urmare, această pagină prezintă testele experimentale ale relativității generale .

Teste istorice

Avansul periheliului lui Mercur, curbura razelor de lumină și deplasarea spre roșu sunt cele trei teste clasice ale relativității generale propuse de însuși Einstein .

Înaintarea periheliului lui Mercur

18 noiembrie 1915, Einstein prezintă Academiei Prusiene un manuscris în care rezolvă o enigmă veche de peste șaizeci de ani: anomalia avansului periheliului lui Mercur .

Poziția problemei

Conform teoriei lui Newton , problema lui Kepler cu două corpuri { Soare , Mercur} izolate de restul Universului admite o soluție exactă: planeta Mercur are o orbită eliptică fixă, pe care Soarele este un focus.

Din păcate, în sistemul solar , cele două corpuri {Soare, Mercur} nu formează un sistem izolat, deoarece sunt supuse atracției gravitaționale a celorlalte șapte planete. Deoarece masele tuturor planetelor sunt foarte mici în comparație cu masa Soarelui, soluția Kepler poate fi luată ca bază pentru o teorie a perturbărilor . Utilizând ecuațiile lui Newton, este apoi posibil să demonstreze că traiectoria eliptică prezintă o precesiune lentă: totul se întâmplă ca și cum elipsa ar fi rotit încet în jurul Soarelui, așa cum se arată în figura opusă (într-un mod foarte exagerat), periheliul trecând de la poziția roșie la poziția albastră după o perioadă de revoluție. Această rotație se caracterizează prin unghiul căruia axa principală a elipsei se rotește de la o rotație la alta.

Din moment ce 12 septembrie 1859, astronomul Urbain Le Verrier a prezentat Academiei de Științe din Paris o notă în care a arătat că atunci când se ia în considerare influența celorlalte planete, se obține o valoare teoretică pentru avansul periheliului în dezacord cu valoarea experimentală (în secunde de arc pe secol ):

Decalajul calculat de Le Verrier a fost de aproximativ 38 de secunde de arc pe secol. Calcule mai precise făcute de Newcomb în 1882, luând în considerare și ușoarea aplatizare a Soarelui datorită propriei rotații, dau de fapt următoarea valoare teoretică (în secunde de arc pe secol):

sau o diferență inexplicabilă între rezultatul experimental și predicția newtoniană a:

Încercări de rezolvare premergătoare operei lui Einstein

Au fost explorate mai multe căi pentru a rezolva această problemă înainte ca Einstein să ofere o soluție datorită relativității generale:

  • presupunem că Venus are de fapt o masă cu 10% mai mare: acest lucru ar fi provocat nereguli neobservate în orbita Pământului  ;
  • să presupunem că perturbările se datorează unei planete ipotetice a cărei orbită se află în interiorul celei din Mercur, numită Vulcan  : o astfel de planetă nu a fost niciodată observată);
  • modificați legea gravitației lui Newton astfel încât intensitatea acesteia să fie proporțională cu și nu cu (unde este distanța care separă corpurile care interacționează): acest lucru ar fi cauzat nereguli semnificative pe orbita Lunii  ;
  • să presupunem că perturbările se datorează masei norului zodiacal , apoi dificil de estimat: aceasta este cea mai bună explicație acceptată înainte de 1915.
Soluția lui Einstein

În relativitatea generală, problema cu doi corpuri nu este tocmai rezolvabilă; doar „problema cu un singur corp” este. În manuscrisul său de la sfârșitul anului 1915 , Einstein începe prin calcularea câmpului gravitațional sferic simetric creat de o stea de masă atunci când una este plasată departe de centrul stelei, câmpul fiind atunci de intensitate slabă . Einstein explorează apoi problema mișcării unei „particule de testare” de masă în acest câmp slab. El demonstrează în special că, pentru orice planetă din câmpul gravitațional al Soarelui, din cauza deformării spațiului sub efectul gravitației, orbita Kepleriană suferă o precesiune de o cantitate egală cu:

unde este axa semi-majoră a elipsei, excentricitatea acesteia, constanta gravitațională universală, masa Soarelui și perioada de revoluție pe elipsă.

Planeta Mercur fiind cea mai apropiată de Soare, are cea mai mică valoare dintre toate planetele și, prin urmare, este cea mai sensibilă la acest efect de precesiune. Valorile sale numerice sunt de fapt:

Aplicația digitală oferă 0,103 8 secunde de arc pe rotație. Mercur realizând 415 revoluții pe secol, obținem în secunde de arc pe secol:

Pentru a obține predicția teoretică a relativității generale, rămâne să adăugăm la această valoare influența totală deranjantă a celorlalte planete. Putem arăta că este posibil să o luăm ca o primă aproximare egală cu valoarea calculată de teoria lui Newton, deci:

Din aceasta se deduce că diferența dintre valoarea experimentală și predicția teoretică a relativității generale este zero, cu excepția preciziei măsurătorilor; este într-adevăr (în secunde de arc pe secol):

A fost primul mare succes al relativității generale.

Curbura razelor de lumină

În același manuscris datat 18 noiembrie 1915, Einstein propune să testeze abaterea unei raze de lumină în câmpul gravitațional al unei stele masive precum Soarele. Această predicție va fi confirmată în 1919, deci la sfârșitul primului război mondial, de rezultatele a două experimente dirijate de astronomul britanic Arthur Eddington .

Predicție newtoniană (calcul euristic)

Luați în considerare o stea fixă ​​de masă și rază situată la originea coordonatelor. Dacă fotonul are o masă zero, nu suferă nicio interacțiune gravitațională a stelei în teoria lui Newton și întrebarea este discutabilă.

Prin urmare, să presupunem că atribuim o masă fotonului, astfel încât să poată fi influențată de forța gravitațională a lui Newton creată de stea. Ne putem imagina apoi următorul experiment de difuzie foarte simplificat, care poate fi împărțit în trei faze succesive:

  1. Fotonul este inițial liber  : nu suferă nicio influență gravitațională. Se mișcă într-o mișcare rectilinie uniformă la viteză în direcția stelei sub incidență de pășunat  ;
  2. În vecinătatea stelei, fotonul de viteză este supus constantei forței lui Newton  : pentru o perioadă :, forță care determină vectorul său de viteză să varieze cu o cantitate  :;
  3. Fotonul este din nou liber  : nu mai suferă nicio influență gravitațională. Se îndepărtează de stea printr-o mișcare rectilinie uniformă la viteză .

Deviation1.gif

Vine, reunind pașii:

Deducem că variația vitezei:

este independent de valoarea exactă a masei . Mai mult decât atât, știind că valorile vitezei inițiale și finale sunt egale cu :, următoarea figură: permite găsirea deviației unghiulare Deviation2.gif

Această abatere fiind foarte mică, o aproximăm prin:, de unde și predicția newtoniană:

NB Rezultatul calculului riguros („deviația Rutherford”) este exact același cu cel obținut prin acest calcul euristic foarte simplificat.

Pentru Soare, avem următoarele valori numerice:

de aici predicția newtoniană în secunde de arc:

Predicția relativității generale

Relativitatea generală a lui Einstein prezice o abatere de două ori mai mare decât cea obținută prin ecuațiile lui Newton:

Rezultate experimentale Eddington (1919)

Experimentele din 1919 constau în observarea deplasării aparente a stelelor apropiate de Soare pe fundalul cerului, deplasare măsurată în raport cu poziția lor obișnuită atunci când acestea nu sunt în incidență de pășunat.

Măsurarea incidenței pășunatului se poate face numai în timpul unei eclipse de soare, singura posibilitate de a vedea aceste stele apoi învecinate Soarelui pe fundalul cerului. Dificultatea experimentului vine din faptul că eclipsele au o durată relativ scurtă: măsurătorile trebuie făcute rapid, ceea ce împiedică căutarea preciziei.

Rezultatele experimentale publicate de Arthur Eddington și colaboratorii săi sunt:

- experiență din Sobral (Brazilia)  ; - Principiul experienței (Golful Guineei) .

Valoarea dată pentru Sobral este cea a telescopului de urgență. Pentru scopul principal al lui Sobral, valoarea măsurată este de 0,93, dar Eddington și colegii au ajuns la concluzia că au existat erori de manipulare și, prin urmare, marja de eroare nu poate fi evaluată.

Valabilitatea rezultatelor

Rezultatele lui Eddington susțin perfect predicțiile relativității generale, deoarece predicțiile relativității generale sunt toate în intervalul de încredere , în timp ce predicțiile conform teoriei lui Newton sunt în afara.

Cu toate acestea, recenziile mai recente susțin că exactitatea măsurătorilor a fost supraestimată de Eddington. Cu evaluări mai pesimiste, marja de eroare este de același ordin de mărime cu fenomenul care trebuie măsurat și, prin urmare, experimentul nu a permis respingerea teoriei lui Newton.

Astăzi, opiniile cu privire la rigoarea lui Eddington sunt foarte împărțite. Pentru Jean-Marc Bonnet-Bidaud , selectarea măsurilor valabile de către Eddington este o chestiune de trucare, ghidată de dorința reală de a demonstra cu orice preț că Einstein avea dreptate. Pentru Jean Eisenstaedt , în Einstein și relativitatea generală , dimpotrivă, Eddington a acționat cu rigoare perfectă în alegerea măsurilor cel mai puțin afectate de eroare (întrucât relativitatea generală a fost într-adevăr confirmată, este legitim să spunem astăzi că valoarea de 0,93 trebuie greșește, iar ceilalți corectează). Stephen Hawking , în A Brief History of Time , este mai măsurat: pentru el, valorile găsite de Eddington, în ciuda tuturor factorilor de eroare posibili, intră sub efectul experimental , tendința inevitabilă de a citi în observații rezultatul că noi atunci căutați că este de fapt nedeterminat.

Implicațiile experienței

Măsurile anunțate de Eddington au făcut titlurile presei de atunci și au contribuit la aducerea notorietății lui Einstein în rândul publicului larg.

Cu toate acestea, oamenii de știință sunt mai ezitanți. British Royal Society Astronomic salută rezultatele cu prudență. Prea complexă pentru previziunile efectelor greu vizibile, relativitatea generală nu atrage majoritatea astrofizicienilor decât 40 de ani mai târziu (vezi Epoca de aur a relativității generale ). Acesta este unul dintre factorii care explică de ce nu i-a adus lui Einstein un premiu Nobel.

La nivel politic, mobilizarea experimentatorilor britanici pentru a verifica teoria unui fizician german (chiar dacă Einstein era de fapt elvețian-german la acea vreme) este văzută ca un simbol puternic al reconcilierii după primul război mondial .

Redshift al spectrelor de linie

Einstein calculează ordinea de mărime a deplasării spre roșu care ar putea fi observată printr-o diferență de lungime de undă între spectrul atomilor prezenți la Soare sau pe Pământ, unde câmpurile de greutate sunt foarte diferite. Foarte slab pe Soare, devine posibil să-l observăm în cazul piticilor albi , care sunt mult mai densi. Acest efect este observat pentru prima dată în 1925 de la Observatorul Mount Wilson pentru steaua Sirius B . Pe de altă parte, rezultatele în cazul Soarelui vor fi considerate încă îndoielnice în 1955.

Teste moderne

Curbura „razelor” luminoase

Spațiul este descris de Einstein ca un punct de referință timp / spațiu. Lângă o stea de mare masă, spațiul și timpul se găsesc deformate, îndoite. Astfel, raza de lumină (fotonul) care trece lângă această stea se găsește astfel deviată. Acest efect a fost observat și cuantificat în conformitate cu teoria, printre altele datorită semnalelor trimise în 2003 de sonda Cassini pe orbita din jurul lui Saturn .

Pulsar binar B1913 + 16

PSR B1913 + 16 este primul reprezentant descoperit al clasei pulsare binare. Este, de asemenea, unul dintre cele mai studiate, datorită caracteristicilor orbitale foarte interesante. Într-adevăr, orbita acestui sistem este extrem de strânsă, cele două stele orbitând într-un volum care ar putea fi aproape inclus / înțeles în interiorul Soarelui , perioada orbitală a acestuia fiind cuprinsă între 7 și 8 ore.

Regularitatea extremă a semnalelor emise de pulsar face posibilă determinarea parametrilor orbitali ai sistemului cu o precizie impresionantă, până la punctul în care este posibilă observarea accelerației minuscule a perioadei orbitale a sistemului, semn că extensia scade în timp. Fenomenul fizic la originea acestei scurtări a orbitei este radiația gravitațională , adică emisia undelor gravitaționale prevăzută de relativitatea generală și ulterioară accelerației produse de corpuri masive.

Pulsarul și însoțitorul său urmează orbite eliptice în jurul centrului lor comun de masă. Fiecare stea se mișcă pe orbita sa în conformitate cu legile lui Kepler ; în orice moment fiecare componentă a sistemului binar este localizată la opusele unei linii care trece prin centrul de masă. Perioada orbitei este de 7,75 ore, iar masele componentelor sunt aproape de 1,4 ori masa soarelui .

Separarea minimă a componentelor, pericentrul este de 1,1 ori raza soarelui, maximă, cu apoastre , de 4,8 ori raza soarelui . Orbita este înclinată la 45 ° și orientată astfel încât periapsisul să fie aproape perpendicular pe linia de vedere.

Orbita a evoluat de la descoperirea acestui sistem în conformitate cu previziunile făcute de teoria relativității generale  : periapsisul său experimentează un avans similar cu cel observat pentru Mercur, dar mult mai mare, deoarece este de 4,2 ° pe an.

Încetinirea ceasurilor într-un câmp gravitațional

Acesta este primul efect imaginat de Einstein pentru a-și valida teoria. Acest efect, efectul Einstein, poate fi dedus din principiul echivalenței. Un prim rezultat din metrica aproximativă prevede timpul potrivit: . Pentru a compara timpul la 2 altitudini diferite obținute: . Un ordin de calcul 1 dă: .

Acest test de relativitate generală a fost făcut pentru prima dată în 1959 ( experimentul Pound-Rebka ). Acest test este posibil datorită descoperirii efectului Mössbauer . Într-adevăr, Pound și Rebka au făcut acest test la Harvard pe o înălțime de 22 de metri și, prin urmare, au trebuit să demonstreze o schimbare a frecvenței sau un decalaj de aproximativ ps pe zi .

În 1971, experimentul Hafele-Keating a dezvăluit un decalaj între ceasurile atomice care înconjoară Pământul cu avionul în comparație cu ceasurile care au rămas pe sol, decalaj în conformitate cu previziunile teoretice.

Pentru un satelit GPS la o altitudine de 20.200  km , efectul gravitației este mai mare. Schimbarea frecvenței este de aproximativ , adică o schimbare de µs pe zi.

Testarea principiului echivalenței

Micro-satelitul de 300 kg , Microscop , a fost lansat înaprilie 2016poartă două mase în platină și titan, care au realizat echivalentul unei căderi de 85 de milioane de km. Misiunea, programată până la sfârșitul anului 2018, confirmă validitatea principiului echivalenței de la sfârșitul anului 2017 .

Într-adevăr, 4 decembrie 2017, revista Physical Review Letters publică rezultate preliminare care arată că principiul echivalenței este verificat cu o precizie de 2 × 10 −14 , adică de zece ori mai bun decât măsurătorile anterioare. Aceste rezultate sunt obținute după procesarea a 10% din datele acumulate de satelit de la lansarea misiunii, adică peste un an și jumătate.

Comportamentele obiectelor dense în cădere liberă

În 2018 , observarea traiectoriei unui pulsar și a unei pitici albe , cu densități foarte diferite, pe orbită în jurul unui al treilea pitic alb la 4.200 de ani lumină de Pământ; diferența relativă dintre accelerațiile suferite de cele două corpuri a fost măsurată mai puțin de , ceea ce este în acord cu relativitatea generală care prezice că accelerația suferită de un obiect nu depinde de densitatea acestuia.

tura roșie

Teoria relativității generale a lui Einstein a prezis că lumina care călătorește într-un câmp de gravitație neomogen suferă o schimbare roșie sau spre albastru. Acest efect se numește schimbarea lui Einstein . Pe Pământ, este mic, dar măsurabil folosind efectul Mössbauer . În vecinătatea unei găuri negre , acest efect ar deveni semnificativ până la punctul în care la orizontul evenimentelor schimbarea ar fi infinită .

Această schimbare gravitațională a fost propusă în anii 1960 ca o explicație pentru schimbările mari de roșu observate la quasari , dar această teorie este greu acceptată astăzi.

În 2018, compensarea lui Einstein ar putea fi măsurată, cu un rezultat compatibil cu teoria, folosind doi sateliți ai programului Galileo cu orbită eliptică în urma unei probleme de lansare.

În 2018 , această schimbare a fost observată într-un câmp gravitațional puternic pe steaua S2 care trece în apropierea găurii negre masive asociate cu sursa de lumină Sgr A * .

Schwarzschild Precession

În 2020 , The precesie relativistă a periapsis de stea S2 se apropie de 120 de ori distanța Pământ-Soare din gaura neagra supermasiva situat la centrul Căii Lactee a fost măsurată prin colectivul spectrometrului Gravity și corespunde perfect cu teoria de relativitate generală .

Efect Lens-Thirring

Efectul Lens-Thirring , prezis ca o consecință a relativității generale încă din 1918, a fost observat la o pitică albă într-un sistem binar cu pulsarul PSR J1141-6545. Acest efect a fost observat și pe sateliții artificiali .

Note și referințe

Note

  1. În această afirmație presupunem că raportul dintre masa planetei și cea a Soarelui este foarte mic.
  2. Se presupune că particula testată nu modifică câmpul gravitațional creat de steaua masivă.
  3. Pentru a trece de la prima la a doua formulă am folosit a treia lege a lui Kepler .
  4. Pentru un foton de frecvență , se poate folosi, de exemplu, cu Einstein relația formală . Rezultatul abaterii este de fapt independent de valoarea exactă a masei .
  5. Aceasta este o distanță de 16 ani lumină și o viteză corespunzătoare a 2,7% din viteza luminii .

Referințe

  1. (ro) Steven Weinberg, Gravitation & Cosmolgy , John Wiley & Sons, New York, 1972, ( ISBN  0-471-92567-5 ) .O carte de referință foarte drăguță. Nivelul minim al ciclului secundar universitar.
  2. Jean Eisenstaedt , Einstein și relativitatea generală , Franța Paris, CNRS Éditions ,2007, 345  p. ( ISBN  978-2-271-06535-3 ) , cap.  7 („Relativitatea verificată: anomalia lui Mercur”). - Prefață de Thibault Damour .
  3. Demonstrația completă a acestei formule este prezentată pe site-ul Christian Magnan .
  4. Relativitate: dovezile erau false Cerul și spațiul din mai 2008
  5. http://www.einstein-website.de/z_information/variousthings.html#national
  6. Jean Eisenstaedt , Einstein și relativitatea generală ,2007, cap.  9 („Relativitatea verificată: deplasarea liniilor”).
  7. (în) B. Bertotti, Iess și P. L. Tortora, „  Un test al relativității generale folosind legături radio cu nava spațială Cassini  ” , Nature ,25 septembrie 2003( citește online ).
  8. Jean Eisenstaedt , Einstein și relativitatea generală , Paris, CNRS ed. ,2007, 345  p. ( ISBN  978-2-271-06535-3 ) , cap.  15 („Gravitație, astrofizică și cosmologie”).
  9. AFP, „  Teoria lui Einstein susține satelitul Microscop  ”, Le Point ,4 decembrie 2017( citiți online , consultat la 4 decembrie 2017 )
  10. (în) misiune MICROSCOP: primele rezultate ale unui test spațial al principiului echivalenței .
  11. Camille Gévaudan, "  Relativitatea generală: teoria lui Einstein validată cu" microscopul "  ", Eliberare ,4 decembrie 2017( citiți online , consultat la 4 decembrie 2017 )
  12. (în) Anne Archibald și colab. , „  Universalitatea căderii libere din mișcarea orbitală a unui pulsar într-un sistem triplu stelar  ” , Natura ,5 iulie 2018( citește online ).
  13. (en) Pacome Delva, Puchades N. și colab. , „  Gravitațional Redshift Test folosind sateliți excentrici Galileo  ” , Physical Review Letters , American Physical Society , vol.  121,4 decembrie 2018( citește online ).
  14. Colaborare gravitațională, detectarea schimbării gravitaționale în roșu pe orbita stelei S2 în apropierea găurii negre masive din centrul galactic , 2018. DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201833718
  15. ESO - telescopul ESO observă dansul stelelor în jurul găurii negre supermasive, confirmând astfel predicția lui Einstein , 16 aprilie 2020.
  16. Colaborare gravitațională, Detectarea precesiunii Schwarzschild pe orbita stelei S2 lângă gaura neagră masivă a centrului galactic , manuscris Astronomie și astrofizică, 04-03-2020.
  17. < (în) V. Venkatraman Krishnan, M. Bailes, W. van Straten și colab. , „  Lens - Tragerea cadrului înfășurată indusă de o pitică albă cu rotire rapidă într-un sistem pulsar binar  ” , Știință , vol.  367, nr .  6477,31 ianuarie 2020( citește online ).

Anexe

Bibliografie

Cărți
  • Clifford M. Will; The Children of Einstein - General Relativity to the Test of Observation , InterEditions (Paris-1988), ( ISBN  2-7296-0228-3 ) . Unele dintre rezultatele experimentale - uneori recente - care confirmă teoria lui Einstein, de către un expert.
  • Clifford M. Will; Teorie și experiment în fizică gravitațională , Cambridge University Press (1981), ( ISBN  0-521-43973-6 ) . O monografie care conține aspectele tehnice ale rezultatelor discutate în lucrarea anterioară. Nivelul minim al ciclului secundar universitar.
  • Steven Weinberg; Gravitation & Cosmolgy , John Wiley & Sons (New York-1972), ( ISBN  0-471-92567-5 ) . O carte de referință foarte drăguță. Nivelul minim al ciclului secundar universitar.
Biblioteca virtuală