La relativité générale est une théorie étonnamment belle, et les prises avec les raisons pour lesquelles il n'est pas d'accord avec la mécanique quantique est une joie, dit Chanda Prescod-Weinstein
«La relativité générale se cache partout en physique…»
J'écris rarement beaucoup à ce sujet dans mes articles de recherche, mais chaque élément de science que j'ai jamais fait assume l'exactitude de la relativité générale – notre théorie la plus fondamentale pour expliquer la gravité – ou suppose qu'il s'agit d'une approximation fantastique d'une théorie plus correcte. Lorsque moi et d'autres dans mon domaine rédigeons nos recherches, nous le disons rarement à haute voix. Mais la relativité générale se cache partout en physique – de la façon dont il nous permet de naviguer avec le système de positionnement global à la façon dont il nous aide à lancer et à utiliser des télescopes pour étudier les planètes en dehors de notre système solaire.
La relativité générale avec succès, et assez magnifiquement, explique pourquoi la gravité est et ce que fait la gravité. Il n'y a aucune partie de l'univers visible intact par cette force – pas même la lumière, même si elle n'a pas de masse et nous ne nous attendrions pas à ce qu'elle ressente la gravité.
La loi de gravité en 1687 d'Isaac Newton, et ses notions d'espace et de temps absolu, se sont révélées incorrectes. La relativité générale, établie par Albert Einstein en 1915, nous invite à repenser la nature fondamentale de la réalité, et elle est également utilisée dans presque tous les domaines de la physique et de tous les domaines de l'astronomie. De nombreux cours universitaires dans ces domaines ont tendance à commencer par enseigner la relativité spéciale d'Einstein, qui théorise que l'espace et le temps ne peuvent pas être séparés et doivent plutôt être considérés comme une entité unifiée, l'espace-temps.
En pratique, cela signifie que nous mesurons les distances et les temps différemment. La règle utilisée pour effectuer des mesures en physique newtonienne ne fonctionne pas lorsque nous prenons en compte la limite de vitesse universelle – la vitesse finie de la lumière – en compte. C'est le stade auquel les élèves sont présentés au concept mathématique que nous utilisons pour mesurer les distances, la métrique. La métrique, qui résume la notion quotidienne d'un souverain, se cachait dans nos calculs newtoniens, mais nous n'avons jamais eu à en discuter. La relativité spéciale est la première fois que nous devons le reconnaître.
La relativité générale, familièrement connue des physiciens sous le nom de GR, s'appuie sur l'unification de l'espace-temps en prenant en compte la gravité. Sa leçon la plus mémorable est que les courbes de l'espace-temps: la métrique que nous avons rencontrée dans la relativité spéciale doit permettre la possibilité que notre règle se plie et ne soit pas droite. Cette courbure se manifeste comme une force, la gravité. Là où il y a plus de flexion, nous voyons des effets gravitationnels plus forts. En d'autres termes, comme je l'ai écrit dans mon premier livre, l'espace-temps n'est pas droit.
La relativité générale est comme un puzzle où les pièces s'adaptent parfaitement et si nous changeons même une, elle cesse de fonctionner
Quand j'étais étudiant, j'étais très concentré sur la compréhension des outils de calcul impliqués. Nous avons dû résumer l'espace et le temps pour la première fois, pour comprendre l'idée mathématique générale d'un «espace». Quand j'ai assez appris pour assembler les pièces, j'ai été étonné par la beauté de la théorie. La relativité générale est comme un puzzle où les pièces s'assemblent parfaitement et où, si nous changions même un, le tout cesserait de fonctionner.
Malgré toute l'écriture que j'ai faite, j'ai toujours du mal à décrire la sensation que cela évoque pour moi. C'est notre merveilleux univers! Cela fonctionne de cette façon merveilleuse et nous avons pu le comprendre. Comme c'est délicieux!
J'étais tellement enthousiaste à propos de la relativité générale que j'ai fait mon doctorat en étudiant comment les mesures de la vitesse de l'expansion de l'espace-temps pourraient éclairer nos efforts pour fusionner GR avec une autre théorie fondamentale, Mécanique quantique (voir notre spécial, page 28). À l'époque, j'ai compris, en termes mathématiques, les défis de la fusion de ces deux théories. Modifier la relativité générale sans ruiner ce qui le rend spécial semble pratiquement impossible, et il en va de même pour la physique quantique.
Après avoir terminé mon doctorat, j'ai pris près de 15 ans de congé pour essayer de compter avec ce conflit. Quand je y reviens récemment pendant que je travaillais sur mon prochain livre, Le bord de l'espace-tempsJ'ai trouvé que la relativité générale vieillit comme le vin fin – tout comme le problème de gravité quantique. Ce que je comprends plus profondément maintenant, ce sont les défis conceptuels impliqués. La relativité générale peut éviter l'espace et le temps absolus, mais il calcule toujours avec certitude. La mécanique quantique, cependant, traite des probabilités et est livrée avec une incertitude garantie. Et pourtant, d'une manière ou d'une autre, un monde qui se sent certain – du moins physiquement, sinon politiquement – émerge pour nous.
Je suis tellement reconnaissant qu'à un stade précoce, j'ai appris les fondamentaux qui me permettraient de vieillir avec ce problème. C'est un rappel que la réflexion sur nos conditions matérielles est plus que de s'inquiéter de l'argent et de savoir si les dirigeants feront des politiques sociales qui nous servent tous. Nos conditions matérielles sont également le résultat de l'espace-temps, d'être des scientifiques et des détenteurs de connaissances communautaires, et d'être des apprenants à vie qui ne voient jamais notre relation avec l'espace-temps comme complet.
La semaine de Chanda
Ce que je lis
J'ai bien apprécié la magnifique collection de poésie de Victoria Adukwei Bulley.
Ce que je regarde
Drame médical Le Pitt est très bon – et très triste.
Sur quoi je travaille
J'ai deux étudiants qui terminent leur doctorat ce mois-ci!
Chanda Prescod-Weinstein est professeur agrégé de physique et d'astronomie, et membre de base du corps professoral en études de femmes à l'Université du New Hampshire. Son livre le plus récent est The Disorderred Cosmos: A Journey Into Dark Matter, SpaceTime et Dreams différés
