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Cette page donne les formules fondamentales de la Relativité Restreinte et de la Relativité Générale avec une présentation des outils mathématiques accessible aux non-initiés.
Cette page comporte également un Lexique détaillé des termes utilisés en Relativité.
Notations de cette page :
- Les mots-clés ont leur première lettre indiquée en majuscule et sont définis dans le Lexique.
- Les auteurs cités sont mentionnés entre crochets sous la forme [AUTEUR Titre Page]. Voir Bibliographie.
- Les Notations mathématiques sont conformes, sauf rares exceptions, à celles de Eric Gourgoulhon, Directeur de recherche au CNRS [GOU, Relativité Restreinte][GOU, Relativité Générale].
- Les Conventions de signe sont classiquement celles de Misner, Thorne et Wheeler (MTW), avec un Tenseur métrique de Signature (-, +, +, +), un Tenseur de courbure défini par Rijkl = Γijl,k + ..., et un Tenseur de Ricci défini par Rij = Rkikj
L'idée de relativité ne date pas d'Einstein mais trouve son origine dans les travaux de Galilée.
On considère deux Observateurs en mouvement relatif dont les référentiels sont en translation rectiligne et à vitesse uniforme l'un par rapport à l'autre. Ces référentiels sont dits inertiels.
Aujourd'hui, il reste un dernier défi à relever : l'unification de la Relativité Générale et de la Théorie quantique afin de rendre cohérent la gravitation à l'échelle macroscopique et la gravitation à l'échelle microscopique faisant intervenir le caractère quantique des particules élémentaires.
La relativité du temps, que ce soit en relativité Restreinte ou Générale, englobe deux phénomènes distincts souvent confondus :
- la relativité de la simultanéité
- la multiplicité des temps propres
1.2.1. Relativité de la simultanéité :
Des événements simultanés pour un observateur peuvent ne pas l'être pour un autre en mouvement relatif par rapport au premier.
Ce phénomène réel n'est pas mystérieux en soi car il résulte logiquement de la vitesse de la lumière qui n'est pas infinie.
"A l'échelle humaine, la vitesse de la lumière est prodigieusement grande (environ 300 000 km/s). Lorsqu'une source lumineuse quelconque nous envoie un signal, la lumière nous apporte une information quasi-instantanée. Nous croyons voir l'espace à un instant donné. Le temps nous semble absolu, séparé de l'espace." [AND Théorie - Partie 1]
Imaginons deux Observateurs O et O', en mouvement relatif l'un par rapport à l'autre, qui veulent régler leurs montres par échange de signaux optiques. Supposons que les deux montres soient synchronisées, par un moyen quelconque, de façon qu'elles indiquent la même heure à un même instant initial. A cet instant, chaque Observateur émet un signal vers l'autre. Quel temps indique alors chaque montre quand chaque Observateur reçoit le signal de l'autre ? Il est évident que ce n'est pas le même temps.
Et Poincaré explique : "La durée de la transmission n'est pas la même dans les deux sens puisque l'Observateur O, par exemple, marche au devant de la propagation optique émanée de O', tandis que l'Observateur O' fuit devant la propagation émanée de O. Les montres marqueront ce qu'on peut appeler le temps local de chaque Observateur, de sorte que l'une d'elles retardera sur l'autre. Peu importe puisque nous avons aucun moyen de nous en apercevoir..." [POI L'Etat, p.311]
Le temps indiqué est le même pour les deux Observateurs uniquement dans le cas d'Observateurs fixes l'un par rapport à l'autre ou dans l'hypothèse de pensée d'une lumière ayant une vitesse infinie. Dans les autres cas, on parle de dilatation apparente des durées.
Ainsi, "l'univers instantané n'est pas observable. Il apparaît comme un Espace-temps où chaque objet observé est vu en un point de l'espace et en un point du temps qui n'est pas le même pour tous les points de l'espace." [AND Théorie - Partie 1]
1.2.2. Multiplicité des temps propres :
Le temps propre mesuré par un observateur immobile dans son référentiel est unique à cet observateur. Deux observateurs en mouvement relatif l'un par rapport à l'autre, ou soumis à des champs gravitationnels différents, accumuleront des temps propres différents même s'ils se retrouvent au même point de l'espace-temps.
Ce phénomène réel reste à ce jour mystérieux et résulte des propriétés de l'espace-temps concernant à la fois :
1. le mouvement relatif des observateurs (principe de relativité restreinte combinée à la nature invariante de la vitesse de la lumière),
2. la présence de champs gravitationnels (déformation physique de l'espace-temps).
La théorie de la Relativité, bien que mathématiquement cohérente et expérimentalement vérifiée, ne fournit pas toujours des explications intuitives des phénomènes qu'elle décrit. La Multiplicité des temps propres en fait partie, illustrant les limites de notre compréhension intuitive de l'univers à grande échelle. [PER]
A cela s'ajoutent certaines maladresses ne facilitant pas la lecture et la compréhension de la Relativité. On peut citer :
Avant de lire un ouvrage sur la Relativité, il est donc prudent de vérifier a minima : - La présence ou non d'un index des notations utilisées, qui facilite grandement la lecture de l'ouvrage. - La notation vectorielle utilisée, permettant de distinguer sans ambiguïté entre grandeurs scalaires, vectorielles et tensorielles. - Les éventuelles simplifications d'écriture, notamment la mise arbitraire à 1 de la vitesse de la lumière (c), de la constante de gravitation universelle (G) et/ou de la permittivité diélectrique dans le vide (ε0). - Les conventions de signe utilisées, notamment si elles sont identiques ou non aux Conventions de signe classiques (MTW), à savoir : un Tenseur métrique de Signature (-, +, +, +), un Tenseur de courbure défini par : Rijkl = Γijl,k + ..., et un Tenseur de Ricci défini par : Rij = Rkikj. Pour ces trois conventions classiques, l'Equation d'Einstein doit être strictement la suivante : Rab - (1/2) gab R + Λ gab = K Tab - La métrique utilisée, notamment celle de Minkowski (Relativité Restreinte), celle de Schwarzschild (astronomie de la Relativité Générale) ou celle de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (cosmologie de la Relativité Générale). |
Le postulat d'Einstein stipule que la vitesse de la lumière dans le vide est invariante dans tous les référentiels inertiels par rapport au mouvement de la source lumineuse et de l'observateur. Ce postulat d'invariance n'est pas strictement nécessaire d'un point de vue mathématique et peut être remplacé par le postulat de causalité qui est plus général et moins artificiel [SEM]. Ce dernier montre en effet qu'il existe une vitesse limite de propagation des interactions (Constante de structure de l'espace-temps) sans nécessairement spécifier que cette vitesse soit celle de la lumière.
Cependant, bien que mathématiquement équivalents, ces deux postulats offrent des perspectives différentes sur l'interprétation physique de la théorie de la Relativité.
En conséquence :
- La vitesse de la lumière n'est qu'une manifestation spécifique de cette limite dans le cadre de l'électromagnétisme.
- La remise en cause hypothétique de la vitesse de la lumière dans le vide comme limite absolue n'est pas nécessairement une remise en cause de la théorie de la Relativité Restreinte.
- Jusqu'à la fin du 19e siècle, la mécanique classique, fondée par Galilée et Newton, constituait une base incontestée de la physique.
- En 1887, un physicien américain, Albert Michelson, et son collègue Edward Morley, montrèrent que la vitesse de la lumière ne vérifiait pas la loi galiléenne d'addition des vitesses. La vitesse de la lumière dans le vide était au contraire indépendante du mouvement de la source émettrice.
- A la fin du 19e siècle, une seconde énigme vient perturber les certitudes des savants. Les fameuses Equations du britannique James Clerk Maxwell, qui décrivent la totalité des phénomèmes de l'électromagnétisme, n'ont plus la même forme lorsqu'on les transpose d'un système de référence dans un autre par translation rectiligne uniforme.
Le principe galiléen ne devrait-il pas être, sinon abandonné, tout au moins réadapté ?
- En 1905, Jules Henri Poincaré pose les bases fondamentales de la Relativité Restreinte qui efface d'un seul coup toutes les angoisses des physiciens concernant ces deux énigmes [POI L'Etat].
Il montre que la véritable base de la Relativité Restreinte est la transformation de Lorentz-Poincaré qui généralise celle de Galilée aux vitesses non négligeables par rapport à celle de la lumière.
- En 1905 également, Albert Einstein publie sa théorie de la Relativité Restreinte [EIN Zur_Elektrodynamik].
Elle est basée également sur la transformation de Lorentz-Poincaré mais selon une interprétation physique différente de celle de Poincaré : la Relativité Restreinte a pour fondement la vitesse relative de deux objets et non pas leur vitesse par rapport à un référentiel absolu (l'éther).
- Cette transformation ouvre la voie à des concepts révolutionnaires qui ont été ensuite vérifiés expérimentalement. On peut citer :
1932 : L'invariance de la vitesse de la lumière (suggérée en 1887 par Michelson & Morley en montrant que l'éther luminifère n'existe pas, puis postulée en 1905 par Albert Einstein, puis démontrée en 1932 par Roy Kennedy et Edward Thorndike en vérifiant que la vitesse de la lumière est indépendante du mouvement de la source).
1930-1950 : La composition relativiste des vitesses (validée indirectement par de nombreux laboratoires dans les accélérateurs de particules).
1938 : La dilatation des durées (démontrée par Herbert Ives et G.R. Stilwell en mesurant le décalage Doppler de la lumière émise par des ions en mouvement rapide).
1941 : La contraction des longueurs (démontrée indirectement par Bruno Rossi et David B. Hall via l'expérience des muons cosmiques).
1971 : La multiplicité des temps propres (confirmée par Hafele & Keating avec des horloges atomiques embarquées dans des avions faisant le tour du monde).
2008 : L'équivalence masse-énergie (confirmée indirectement dans les années 1930-1940 par de nombreuses expériences en physique nucléaire et des particules, puis confirmée en 2008 par l'équipe internationale du Centre de Physique Théorique de Marseille en montrant que la masse du proton provient de l'énergie des quarks et des gluons).
2011 : L'aberration relativiste de la lumière (démontrée directement par l'équipe de Daniel Giovannini de l'Université de Glasgows, en laboratoire terrestre).
A noter quelques conclusions surprenantes parmi d'autres :
- Si deux particules lumineuses s'éloignent l'une de l'autre, leur vitesse relative est encore égale à c et non pas 2c (loi de composition des vitesses. Voir ci-dessous).
- La vitesse de la lumière étant ralentie dans des milieux divers selon leur indice n de réfraction, il est possible d'accélérer des particules qui vont plus vite que la lumière dans ce même milieu.
Hendrik Antoon Lorentz a donné une version imparfaite de cette transformation en 1899 puis 1904. Jules Henri Poincaré a publié les équations correctes en 1905, en les baptisant du nom de Lorentz.
Hypothèses :
Initialement, deux référentiels orthonormés R et R' ont leurs origines O et O' confondues à t = t' = 0, avec leurs axes x et x', y et y', z et z' respectivement parallèles.
Ensuite, le référentiel R' effectue une translation rectiligne uniforme par rapport à R à une vitesse constante v, mesurée dans R et dans le sens positif de l'axe x.
Soit un point ou événement quelconque M de coordonnées spatio-temporelles (x, y, z, t) dans R et (x', y', z', t') dans R'.
La transformation de Galilée faisant passer de R à R' s'écrit classiquement :
(G1) x' = x - v t ; y' = y ; z' = z (G2) t' = t |
La transformation de Lorentz-Poincaré introduit une nouvelle entité pour décrire les phénomènes physiques : l'Espace-temps. Cette conception unifie l'espace et le temps en une seule structure à quatre dimensions, expliquant notamment les deux phénomènes suivants :
1. Contraction apparente des longueurs : La longueur d'un objet en mouvement par rapport à un observateur apparaît contractée dans la direction du mouvement lorsque mesurée par cet observateur. Les dimensions de l'objet perpendiculaires au mouvement ne sont pas affectées. Ce phénomène est symétrique : chaque observateur voit les objets de l'autre référentiel contractés dans la direction du mouvement.
2. Dilatation apparente des durées : L'intervalle de temps entre deux événements se produisant au même endroit dans un référentiel donné apparaît plus long lorsqu'il est mesuré depuis un référentiel en mouvement par rapport au premier. Ce phénomène est symétrique : chaque observateur voit les durées dans l'autre référentiel s'allonger.
Les équations correspondantes s'écrivent :
(L1) x' = γ (x - v t) ; y' = y ; z' = z (L2) t' = γ (t - B x) (L3) γ = 1 / (1 - v2 c-2)1/2, appelé Facteur de Lorentz (L4) B = v/c2 |
c est une constante (Constante de structure de l'espace-temps) qui s'apparente à une vitesse limite et qui apparaît au cours de la démonstration des équations (L). La constante c est prise égale à la plus grande vitesse mesurée actuellement qui est celle des phénomènes électromagnétiques dans le vide, en l'occurence la vitesse de la lumière dans le vide.
La transformation inverse consiste à remplacer v par -v dans les relations (L1) à (L4) :
(L1') x = γ (x' + v t') ; y = y' ; z = z' (L2') t = γ (t' + B x') |
Lorsque la vitesse v a une direction quelconque par rapport à l'axe x, la transformation de Lorentz-Poincaré s'écrit comme suit (en notant r = (x, y, z) et r' = (x', y', z')) :
(LL1) r' = r + (γ - 1) (v.r / v2) v - γ v t (LL2) t' = γ (t - v.r c-2) (LL3) γ = 1 / (1 - v2 c-2)1/2 Démonstration : Les relations (L1) se généralisent sous la forme : r' = rper + γ (rpar - v t) rpar = projection de r sur la direction parallèle à v = (v.r / v2) v rper = projection de r sur la direction perpendiculaire à v = r - rpar pouvant s'écrire également : r' = r + (γ - 1) (v.r / v2) v - γ v t La relation (L2) se généralise sous la forme : t' = γ (t - v.r / c2) Lorsque r et v sont parallèles, on a r = r (v/v) et les relations (LL1)(LL2) deviennent : r' = γ (r - v t) (v/v) et t' = γ (t - v r / c2) Ainsi, la position r reste inchangée en direction mais est modifiée en magnitude en fonction de la vitesse v et du temps t. De même, le temps t est modifié en fonction de la vitesse v et de la position r. Lorsque r et v sont perpendiculaires, on a v.r = 0 et les relations (LL1)(LL2) deviennent : r' = r - γ v t et t' = γ t Ainsi, la position r reste inchangée mais subit un déplacement supplémentaire ( - γ v t ) dans la direction du mouvement. Le temps t est simplement augmenté d'un facteur γ, sans aucune dépendance à la position. Cette double analyse met en évidence les points suivants : - L'entrelacement espace-temps plus prononcé dans le cas parallèle. - La simplicité relative de la transformation dans le cas perpendiculaire. |
- En 1975, Jean-Marc Lévy-Leblond publie un article sur la Relativité Restreinte présenté sous forme moderne déduite uniquement des propriétés de l'espace et du temps, sans recours à l'électromagnétisme [LEV].
- En 2001, Jean Hladik publie, avec l'un de ses collègues Michel Chrysos, le premier ouvrage en français sur la Relativité Restreinte présenté sous cette forme moderne, en titrant ces propriétes de "postulats de Poincaré" [HLA Pour_comprendre].
Les principales conclusions sont alors les suivantes :
- Les quatre postulats de Poincaré suffisent à mettre en avant la transformation de Lorentz-Poincaré et sa limite dégénérée galiléenne comme les seules transformations inertielles possibles [LEV].
En s'inspirant des ouvrages [LEV][HLA, Pour_comprendre][HLA, Initiation][CAS][SEM], nous présentons ci-dessous une démonstration complète de la transformation de Lorentz-Poincaré, basée uniquement sur les quatre postulats de Poincaré.
Démonstration : Postulat n°1 : L'espace est homogène et isotrope L'espace a les mêmes propriétés en tout point et en toute direction. Autrement dit, l'espace est invariant par translation et rotation. Postulat n°2 : Le temps est homogène Le temps est identique en tout point d'un même référentiel. Toutes les horloges fixes d'un référentiel donné doivent être strictement réglées à une même heure. Autrement dit, le temps est invariant par translation. Postulat n°3 (Principe de relativité restreinte) : Les lois des phénomèmes physiques doivent être les mêmes, soit pour un Observateur fixe, soit pour un Observateur entraîné dans un mouvement de translation rectiligne uniforme. La forme des équations qui décrivent les phénomènes mécaniques est invariante par changement de référentiel par translation rectiligne uniforme. Postulat n°4 : La causalité doit être respectée Lorsqu'un phénomème A est la cause d'un phénomème B, alors A doit avoir lieu avant B dans tout référentiel. La transformation cherchée peut s'écrire sous la forme générale suivante liant les coordonnées x et t : x' = F(x, t, v) t' = G(x, t, v) avec les conditions initiales suivantes : 0 = F(0, 0, v) 0 = G(0, 0, v) Tout intervalle de coordonnées transformées peut donc s'écrire comme suit : dx' = (dF/dx)dx + (dF/dt)dt dt' = (dG/dx)dx + (dG/dt)dt Si l'espace et le temps sont supposés homogènes, la transformation ne dépend pas de l'endroit où se trouve l'intervalle transformé, ni de l'époque à laquelle l'intervalle est transformé. Les coefficients devant dx et dt ne sont donc pas fonction de x et t. D'où par exemple : dF/dx = F1(v) Les deux relations précédentes s'intègrent donc comme suit : x' = F1(v) x + F2(v) t + constante t' = G1(v) t + G2(v) x + constante et se simplifient comme suit, compte-tenu des deux conditions initiales précédentes : (Ha) x' = F1(v) x + F2(v) t (Hb) t' = G1(v) t + G2(v) x les quatre fonctions F1, F2, G1 et G2 étant à déterminer. Les postulats d'homogénéité de l'espace et du temps induisent donc que la transformation cherchée est linéaire. Au point particulier M = O' nous devons avoir : x' = 0 et x = v t Les équations (H) s'écrivent alors : (C1a) x' = γ (x - v t) (C1b) t' = γ (A t - B x) Les inconnues à trouver deviennent γ, A et B, toutes trois fonction uniquement de v, soit : γ = γ(v) ; A = A(v) ; B = B(v). Quand v = 0, on doit avoir : x' = x et t' = t, correspondant à la transformation identité. On en déduit que : (C2) γ(0) = 1 Le postulat d'isotropie de l'espace induit que la forme des équations est invariante par réflexion (x --> -x ; x' --> -x' ; v --> -v) correspondant au passage du référentiel " -R " au référentiel " -R' ". On en déduit que : (C3a) γ(v) = γ(-v) (C3b) A(v) = A(-v) (C3c) B(v) = - B(-v) Le postulat d'invariance de forme induit que la forme des équations est invariante par transformation inverse (x' <--> x ; t' <--> t ; v <--> -v) correspondant à l'échange des référentiels R et R'. On en déduit que : (C4a) x = γ(-v) (x' + v t') (C4b) t = γ(-v) (A(-v) t' - B(-v) x') Compte tenu des relations (C1)(C3), on en déduit que : (C5a) A = 1 (C5b) γ2 (1 - v B) = 1 Il reste donc à déterminer l'inconnue B. Le postulat d'invariance de forme induit que la forme des équations est invariante par composition des transformations (R --> R') et (R' --> R"). Compte tenu de la relation générale (C5a), on en déduit que : (C6a) x" = γ(u) (x' - u t') (C6b) t" = γ(u) (t' - B(u) x') u est la vitesse de translation rectiligne uniforme de R" par rapport à R', mesurée dans R' et dans le sens positif de l'axe x' On pose w comme vitesse de translation rectiligne uniforme de R" par rapport à R, mesurée dans R et dans le sens positif de l'axe x Compte tenu de la relation (C1), on en déduit que : (C7a) w = (v + u) / (1 + u B) (C7b) B(u) / u = B(v) / v La relation (C7a) est la loi de composition des vitesses. La relation (C7b) montre que B est de la forme : (C8) B(v) = b v où b est une constante quelconque (négative, nulle ou positive). Compte tenu de la relation particulière (C2), la relation (C5b) s'écrit alors : (C9) γ2 = 1 / ( 1 - b v2) avec γ > 0 Compte tenu des relations (C5b)(C8)(C9), les équations (C1) s'écrivent alors : (C10a) x' = (x - v t) / (1 - b v2)1/2 (C10b) t' = (t - b v x) / (1 - b v2)1/2 (C10c) b v2 < 1 Il reste donc à déterminer l'inconnue b. Soit M1 et M2 deux points quelconques du référentiel R. Compte tenu de la relation (C10b), on en déduit que : (t2' - t1')/(t2 - t1) = ( 1 - b v ((x2 - x1)/(t2 - t1)) ) / (1 - b v2)1/2 Le postulat de causalité induit que le signe de l'intervalle de temps (t2 - t1) dans R ne doit pas changer lors du passage en (t2' - t1') dans R'. Cela s'écrit : (C11) b v (x2 - x1)/(t2 - t1) < 1 Si b est nul, la relation (C11) est vérifiée, et induit B = 0 et γ = 1 compte-tenu des relations (C8) et (C9). Le postulat de causalité est donc respecté pour le cas b = 0 et correspond à la transformation de Galilée (relations (G1)(G2)). Si b est négatif, la relation (C11) n'est pas vérifiée pour toutes valeurs de v, (x2 - x1) et (t2 - t1). Le postulat de causalité n'est donc pas respecté pour le cas b < 0. Si b est positif, on peut l'écrire sous la forme suivante : (C12) b = 1 / k2 > 0 où k est une constante positive homogène à une vitesse. Les relations (C11) et (C10c) s'écrivent alors respectivement : (C11') (v/k) (1/k)(x2 - x1)/(t2 - t1) < 1 (C13) v/k < 1 La relation (C13) montre que la constante k s'apparente à une vitesse limite appelée Constante de structure de l'espace-temps. On en déduit que, quelles que soient les valeurs de (x2 - x1) et (t2 - t1) : (C14) -1 < (1/k)(x2 - x1)/(t2 - t1) < 1 Compte tenu des relations (C13)(C14), la relation (C11') est donc vérifiée. Le postulat de causalité est donc respecté pour le cas b > 0. En conclusion, la Causalité Universelle n'est respectée que dans les cas b = 0 et b > 0 En pratique, la limite mathématique k est prise égale à la vitesse c de la lumière dans le vide : (C15) k = c Compte tenu des relations (C10)(C12)(C15), la transformation de Lorentz-Poincaré devient : (L1) x' = γ (x - v t) (L2) t' = γ (t - B x) (L3) γ = 1 / (1 - v2 c-2)1/2 (L4) B = v/c2 et la loi de composition des vitesses (C7a) devient : (C16) w = (v + u) / (1 + v u c-2) pouvant s'écrire également : (C17) (1 - w/c) = (1 - v/c)(1 - u/c) Cette forme multiplicative montre que la vitesse composée w ne peut jamais dépasser la vitesse de la lumière et que, à des vitesses élevées, la loi de composition n'est plus additive mais multiplicative en termes d'écarts relatifs par rapport à c. Voir compléments dans Loi de composition des vitesses. |
- En 1907, Albert Einstein énonce le Principe d'équivalence selon lequel les effets de la gravitation sont localement indiscernables d'une accélération.
- Entre 1907 et 1915, Einstein postule que toutes les lois de la Nature doivent avoir la même forme dans tous les référentiels, quel que soit leur état de mouvement (uniforme ou accéléré).
Pour exprimer cette covariance des lois physiques, il développe les outils mathématiques nécessaires avec l'aide de divers mathématiciens, dont David Hilbert [PETIT, Physique, p.28], intégrant ainsi la géométrie non-euclidienne et le calcul tensoriel.
- En 1915, Einstein publie l'équation de la gravitation relativiste [EIN Die_Grundlage], repensant complètement la notion de gravitation Newtonienne, laquelle, se propageant instantanément, n'est plus compatible avec l'existence d'une vitesse limite.
- Cette équation ouvre la voie à des concepts révolutionnaires qui ont été ensuite vérifiés expérimentalement. On peut citer :
1915 : La précession de l'orbite de Mercure (observée dès 1859 par Urbain le Verrier et expliquée en 1915 par Albert Einstein).
1919 : La déviation de la lumière par le Soleil (prédite en 1915 par Albert Einstein et confirmée en 1919 par Arthur Eddington lors d'une éclipse solaire).
1929 : L'expansion de l'univers (prédite en 1922 par Alexander Friedmann et observée en 1929 par Edwin Hubble).
1960 : Le décalage spectral gravitationnel ou effet Einstein (prédit en 1915 par Albert Einstein et observé en 1960 par Pound & Rebka).
1965 : Le Big Bang (formulé en 1927 par Georges Lemaître et confirmé en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson par la découverte du fonds diffus cosmologique représentant le rayonnement résiduel de l'univers primordial).
1966 : Le retard de la lumière ou effet Shapiro (prédit en 1964 par Irwin Shapiro et détecté en 1966 et 1967 par l'antenne radar Haystack du MIT).
1970 : Le système GPS (mis en service dans les années 1970-1980 par le Département de la Défense des Etats-Unis).
1971 : La dilatation du temps gravitationnel (prédite en 1915 par Albert Einstein et confirmée en 1971 par Hafele & Keating avec des horloges atomiques embarquées dans des avions faisant le tour du monde).
1979 : L'effet de lentille gravitationnelle (prédit en 1936 par Albert Einstein et observé en 1979 par Dennis Walsh et son équipe sur un quasar double).
2015 : Les ondes gravitationnelles (prédites en 1916 par Albert Einstein et détectées directement en 2015 par le laser LIGO, collaboration internationale).
2019 : Les trous noirs (prédits en 1916 par Karl Schwarzschild et observés en 2019 par le télescope EHT, collaboration internationale).
L'équation fondamentale de la Relativité Générale, connue sous le nom Equation d'Einstein ou Equation de la gravitation relativiste, définit comment la présence de matière et d'énergie déforme localement la géométrie de l'univers (voir Figure ci-dessus).
John Archibald Wheeler, spécialiste américain de la Relativité Générale, résume ainsi la situation : "La matière dit à l'espace-temps de se courber et l'espace-temps dit à la matière comment se déplacer".
Cette équation peut être vue comme une généralisation de la loi d'élasticité de Hooke en milieu continu peu déformé, pour laquelle la déformation d'une structure élastique est proportionnelle à la tension qui s'exerce sur cette structure. Cette équation s'écrit sous forme tensorielle comme suit :
(E1) Sab = K Tab avec : Sab = Rab - (1/2) gab R + Λ gab Cette relation relie la courbure locale de l'Espace-temps (tenseur d'Einstein modifié Sab) à la distribution locale des contraintes issues de la matière et de l'énergie (tenseur Energie-Impulsion Tab) via un coefficient de couplage (K). - La relation est valable en chaque point de l'Espace-temps et est indépendante du système de coordonnées choisi. En coordonnées cartésiennes, les unités sont par exemple m-2 pour Sab et N/m2 pour Tab. - La métrique gab qui définit la géométrie de l'Espace-temps est toutefois globale car elle peut être influencée par des sources lointaines (sources gravitationnelles ou sources d'énergie). - Bien que l'équation d'Einstein soit une relation locale, sa résolution pour obtenir la métrique gab nécessite souvent de prendre en compte des conditions aux limites pouvant inclure des effets à grande échelle, comme la limite Newtonienne ou l'expansion de l'univers. |
gab est le Tenseur métrique, solution de l'équation d'Einstein, qui définit globalement la géométrie de l'Espace-temps. Les 16 composantes gab de ce Tenseur sont appelées potentiels de gravitation.
Sab est le Tenseur d'Einstein modifié qui mesure la courbure locale de la géométrie de l'Espace-temps. Ce Tenseur a pour propriété remarquable d'avoir une Divergence nulle.
Cette déformation de l'Espace-temps est directement liée à la présence locale de matière et d'énergie via le Tenseur Energie-impulsion Tab qui encode les propriétés de la matière et de l'énergie.
Cependant, cette déformation peut également être causée par des sources distantes, même en l'absence de matière et d'énergie locales (c'est-à-dire lorsque Tab = 0). Dans ce cas, la déformation est décrite par le Tenseur métrique gab qui encode la géométrie de l'Espace-temps.
Ainsi, il n'y a plus de forces de gravitation en Relativité Générale puisque cette déformation de l'Espace-temps en tient lieu.
Tab est le Tenseur Energie-impulsion qui décrit la distribution locale des contraintes issues de la matière et de l'énergie, ou de tout autre forme de champ non gravitationnel comme par exemple le champ électromagnétique.
Ce Tenseur dépend de la pression p et de la densité ρ du milieu physique qui emplit l'espace.
Ce Tenseur est construit de telle manière que sa Divergence nulle exprime la conservation locale de l'énergie et de l'impulsion.
Rab est le Tenseur de Ricci, obtenu par Contraction du Tenseur de courbure.
R est la Courbure scalaire, obtenue par Contraction du Tenseur de Ricci
a et b sont les indices représentatifs des lignes et des colonnes de tous les Tenseurs d'ordre 2 dans l'équation d'Einstein. Ces indices vont de 0 à 3 correspondant chacun à une dimension de l'espace-temps avec 0 pour le temps.
K est le coefficient de couplage gravitationnel. Il vaut : K = 8 π G c-4 = 2,0766 10-43 N-1 ou kg-1.m-1.s2
Ce coefficient a été choisi de façon à vérifier l'Equation de Poisson de la gravitation Newtonienne comme cas particulier de l'équation d'Einstein (voir Limite Newtonienne).
K représente une "élasticité" de l'Espace-temps extraordinairement petite. Pour exemple, un observateur situé à la surface du Soleil (M_soleil = 1,99 1030 kg ; R_soleil = 6,96 108 m ; dimension n = 3) verrait l'Espace-temps se courber selon une courbure scalaire R = -K ρ c2 = -K M_soleil (3/4)(1/π) R_soleil-3 c2 = -3,0 10-24 m-2, correspondant à un rayon de courbure r = (n(n - 1)/|R|)1/2 = 1,0 1012 m, soit environ 2000 fois le rayon du Soleil.
G est la constante de gravitation universelle (G = 6,67408 10-11 kg-1.m3.s-2).
c est la vitesse de la lumière dans le vide (c = 2,99792458 108 m.s-1).
Λ est la Constante cosmologique de dimension m-2 et pouvant être négative, nulle ou positive.
Le problème du mouvement des planètes, considérées comme des particules matérielles dans un espace vide autour du soleil (Espace-temps de Schwarzschild), se résoud en prenant Λ = 0 et Tab = 0. Alors qu'en cosmologie, pour déterminer le modèle d'univers (Espace-temps de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker), on prend a priori une valeur Λ non nulle et on considère l'espace universel comme empli d'un véritable gaz de galaxies de densité ρ et de pression p = 0 (Modèle cosmologique standard).
Cette équation est parfois présentée avec le signe "moins" devant Λ et/ou K.
Cela dépend des conventions d'auteurs prises pour la Signature du Tenseur métrique, la définition du Tenseur de courbure et la définition du Tenseur de Ricci.
Démonstration : On définit par (C1), (C2), (C3) et (C4) les quatre signes suivants : (C1) Signature (-, +, +, +) (C2) Tenseur de courbure défini par Rijkl = Γijl,k + ... (C3) Tenseur de Ricci défini par Rij = Rkikj (C4) "Signe d'Einstein" qui est le signe devant le second membre K Tab de l'Equation d'Einstein et correspondant à (C4) = (C2)(C3) Compte-tenu des définitions (C1)(C2)(C3) et des expressions : Γijk = (1/2) gil (glk,j + glj,k - gjk,l) et : R = gij Rij, l'équation d'Einstein (E1) peut se mettre alors sous la forme suivante : (C2)(C3)Rab - (1/2) (C1)gab (C1)(C2)(C3)R + Λ (C1)gab = K Tab laquelle est équivalente à : Rab - (1/2) gab R + (C1)(C2)(C3)Λ gab = (C2)(C3)K Tab L'équation d'Einstein (E1) peut donc être présentée sous les différentes formes suivantes : 1. Rab - (1/2) gab R + Λ gab = K Tab dans le cas (C1 = 1) et (C2, C3) = (1, 1) ou (-1, -1) 2. Rab - (1/2) gab R - Λ gab = -K Tab dans le cas (C1 = 1) et (C2, C3) = (1, -1) ou (-1, 1) 3. Rab - (1/2) gab R - Λ gab = K Tab dans le cas (C1 = -1) et (C2, C3) = (1, 1) ou (-1, -1) 4. Rab - (1/2) gab R + Λ gab = -K Tab dans le cas (C1 = -1) et (C2, C3) = (1, -1) ou (-1, 1) Le cas 1 avec (C2, C3) = (1, 1) correspond aux conventions de signe classiques qui sont celles de Misner, Thorne et Wheeler. |
En contractant l'équation d'Einstein par le Tenseur métrique inverse gab, la Courbure scalaire R est liée au Tenseur Energie-impulsion Tab par la relation :
(E2) R = -K T + 4 Λ
où T est la trace du Tenseur Energie-impulsion : T = gab Tab = Taa
En reportant cette relation dans l'équation d'Einstein (E1), on trouve l'équation équivalente suivante :
(E3) Rab = K (Tab - (1/2) gab T) + Λ gab |
Cette équation équivalente peut être plus pratique dans certains cas, par exemple lorsqu'on s'intéresse à la limite de champ gravitationnel faible et qu'on peut remplacer gab par la Métrique de Minkowski sans perte significative de précision.
Dans le cas particulier où Tab = 0 (espace vide) et Λ = 0, le Tenseur de Ricci Rab est nul.
Une solution de l'Equation d'Einstein du vide avec Λ = 0, comme la solution de Schwarzschild, est donc une Métrique dont le Tenseur de Ricci est identiquement nul. Par contre, le Tenseur de courbure n'est pas nul, sauf dans le cas de la solution triviale constituée par la Métrique de Minkowski (Espace-temps plat de la Relativité Restreinte). cf [GOU, Relativité générale, p.119].
L'équation d'Einstein possède les propriétés suivantes : Simplicité : Bien que la Relativité Générale ne soit pas la seule théorie relativiste, c'est la plus simple qui soit dépourvue de contradictions internes et en cohérence avec les données expérimentales. Cependant, il reste un certain nombre de questions ouvertes : la plus fondamentale est de réussir à formuler une théorie complète et cohérente de la gravitation quantique. Postulat : l'équation d'Einstein ne se démontre pas à partir de principes plus fondamentaux. C'est là tout le génie d'Einstein de l'avoir postuler. Principe d'équivalence (équivalence locale entre champ de gravitation et champ d'accélération) : l'équation d'Einstein respecte le Principe d'équivalence. Principe de relativité générale (invariance des lois physiques dans tout changement de référentiel) : l'équation d'Einstein est Covariante et garde donc la même forme dans tout changement de coordonnées. C'est là toute l'extraordinaire puissance du formalisme tensoriel : une fois écrite sous forme tensorielle (selon des critères de Tensorialité), une loi physique possède nécessairement une forme indépendante du système de coordonnées. Tenseurs conservatifs : les membres de l'équation d'Einstein sont tous deux conservatifs (Divergence nulle) de façon à respecter le principe de conservation locale de l'impulsion et de l'énergie. Courbure nulle à l'infini : L'équation d'Einstein induit une gravitation nulle, donc une courbure nulle, lorsque les coordonnées tendent vers l'infini (loin de toute masse attractive). L'Espace-temps devient l'Espace-temps plat de la Relativité Restreinte avec sa Métrique de Minkowski. Gravitation Newtonienne : L'équation d'Einstein a pour cas particulier l'Equation de Poisson de la Limite Newtonienne. |
Les 16 composantes du tenseur d'Einstein modifié Sab sont fonction uniquement des potentiels de gravitation gab et de leurs dérivées première et seconde. Ces composantes sont linéaires par rapport aux dérivées secondes et font intervenir les Symboles de Christoffel fonction de ces gab.
La résolution de ces équations différentielles couplées du second ordre est extrêmement ardue.
La Symétrie des Tenseurs Rab, gab et Tab réduit à 10 le nombre d'équations distinctes et les 4 conditions de Divergence nulle liées au Tenseur Tab les ramènent à 6 équations indépendantes.
De leur côté, par symétrie, 10 seulement des gab sont distincts et, dans un quadri-espace, on peut choisir en chaque point arbitrairement les valeurs de 4 d'entre eux, ce qui réduit à 6 également le nombre des fonctions gab à déterminer.
Plusieurs Métriques relativistes sont ensuite disponibles en Relativité Générale (voir Figure ci-dessus).
La Métrique de Schwarzschild (S1, S2...) décrit la géométrie autour des masses (M1, M2...), ces masses pouvant être une étoile, une planète ou un Trou noir.
La Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (F) est utilisée en cosmologie pour décrire l'évolution de l'univers aux grandes échelles. Elle constitue l'outil principal amenant la construction du Modèle cosmologique standard : la théorie du Big Bang.
La Métrique de Minkowski (K) décrit la géométrie loin des masses importantes, sur la partie asymptotiquement plate des métriques précédentes, selon un Espace-temps euclidien tangent de la Relativité Restreinte.
En faisant l'hypothèse que le champ gravitationnel des corps est statique et à symétrie centrale (Métrique de Schwarzschild), comme c'est le cas pour le Soleil et de nombreux astres, alors les potentiels de gravitation gab s'expriment en coordonnées sphériques (r, θ, φ) en fonction de deux paramètres μ et α fonctions uniquement de r.
Ces gab permettent de calculer les composantes du Tenseur de Ricci (Rab) puis, par Contraction, la Courbure scalaire (R). Voir calculs détaillés ci-après.
Dans le cas particulier d'un champ de gravitation dans le vide (c'est-à-dire pour un Tenseur Energie-impulsion (Tab) nul) et d'une Constante cosmologique nulle (Λ = 0), alors l'équation d'Einstein se réduit à un système de deux équations différentielles des fonctions μ et α. Leur intégration donne les expressions de μ et α. Voir calculs détaillés ci-après.
Finalement, la Métrique de Schwarzschild ds2 se détermine complètement comme suit :
g00 = -(1 - r*/r) g11 = 1/(1 - r*/r) g22 = r2 g33 = r2 sin2[θ] gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3 |
où r* est une constante appelée rayon de Schwarzschild ou rayon gravitationnel.
Dans le cas particulier d'un champ de gravitation créé par une masse M centrale symétrique, on a : r* = 2 G M c-2, obtenu en comparant le g00 de Schwarzschild avec le g00 de la Limite Newtonienne. Dans le cas du Soleil (avec M_Soleil = 1,9891 1030 kg), r* est très petit et vaut : 3,0 km
Les valeurs particulières r = 0 et r = r*, qui rendent infini les coefficients g00 et g11, délimitent une région singulière qui se trouve en pratique située profondément à l'intérieur de la masse M, ce qui n'est pas gênant pour les planètes, étoiles ordinaires et étoiles à neutrons pour lesquelles on a toujours : r >> r*.
Pour les Trous noirs, la singularité r = r* peut être éliminée par un choix convenable du système de coordonnées. En revanche, la singularité r = 0 est une singularité du Tenseur métrique g qui marque la limite de la description des Trous noirs par la Relativité Générale et nécessite sans doute de recourir à une théorie quantique de la gravitation qui n'existe pas encore vraiment à ce jour.
Lorsque r tend vers l'infini, les coefficients gab se réduisent aux composantes de la Métrique de Minkowski exprimée en coordonnées sphériques. L'espace-temps de Schwarzschild est donc asymptotiquement plat.
Pour finir, on écrit et on résoud les équations de Géodésiques qui décrivent le mouvement des particules libres dans l'espace considéré, c'est-à-dire lorsque ces particules (systèmes matériels ou photons) ne sont pas soumises à une force externe autre que la gravitation dans le cadre de la Relativité Générale. Voir Géodésique d'un corps matériel et Géodésique d'un photon.
Calcul détaillé des composantes gab, Rab, R, Sab, α et μ [GOU, Relativité Générale, p.117] : Dans le cas d'un champ gravitationnel statique et à symétrie centrale (Métrique de Schwarzschild), les potentiels de gravitation gij du Tenseur métrique sont les suivants : g00 = -e2 μ g11 = e2 α g22 = r2 g33 = (r2) sin2[θ] gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3 où μ et α sont des fonctions uniquement de r. Les potentiels de gravitation gij du Tenseur métrique inverse sont alors les suivants tels que : gij gjk = δik où δ est le Symbole de Kronecker. g00 = -e-2 μ g11 = e-2 α g22 = 1/r2 g33 = (1/r2) sin-2[θ] gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3 Les symboles de Christoffel Γijk s'écrivent ensuite par les relations : Γijk = (1/2) gil (glk,j + glj,k - gjk,l) Γ001 = Γ010 = μ' Γ100 = e2 (μ - α) μ' ; Γ111 = α' ; Γ122 = -r e-2 α ; Γ133 = -r sin2[θ] e-2 α Γ212 = Γ221 = 1/r ; Γ233 = -cos[θ] sin[θ] Γ313 = Γ331 = 1/r ; Γ323 = Γ332 = 1/ tan[θ] où μ' = dμ/dr et α' = dα/dr Les autres symboles de Christoffel sont tous nuls. Les composantes Rij du Tenseur de Ricci s'écrivent ensuite par les relations : Rij = Rkikj = Γkij,k - Γkik,j + Γkkl Γlij - Γkjl Γlik R00 = e2 (μ - α) ( μ" + (μ')2 - μ' α' + 2 μ'/r ) R11 = -μ" - (μ')2 + μ' α' + 2 α'/r R22 = e-2 α ( r (α' - μ') - 1 ) + 1 R33 = sin2[θ] R22 Les autres composantes Rij sont toutes nulles. La Courbure scalaire s'écrit ensuite par la relation : R = gij Rij R = 2 e-2 α ( -μ" - (μ')2 + μ' α' + 2 (α' - μ')/r + (e2 α - 1)/r2 ) Dans le cas Λ = 0, le Tenseur d'Einstein modifié s'obtient ensuite par la relation : Sab = Rab - (1/2) gab R S00 = (1/r2) e2 (μ - α) (2 r α' + e2 α - 1 ) S11 = (1/r2) (2 r μ' - e2 α + 1 ) S22 = r2 e-2 α ( μ" + (μ')2 - μ' α' + (μ'- α')/r ) S33 = sin2[θ] S22 Les autres composantes Sij sont toutes nulles. L'équation d'Einstein s'écrit alors par la relation : Sab = K Tab S00 = K T00 S11 = K T11 S22 = K T22 S33 = K T33 0 = K Tij pour i et j pris différents entre 0 et 3 Dans le cas Tab = 0, l'équation d'Einstein se réduit alors aux 3 équations suivantes : 2 r α' + e2 α - 1 = 0 2 r μ' - e2 α + 1 = 0 μ" + (μ')2 - μ' α' + (μ'- α')/r = 0 La première équation s'intègre en : α = -(1/2) ln[ 1 - r*/r] où r* est une constante. En reportant cette valeur de α dans la seconde équation, cette dernière s'intègre en : μ = (1/2) ln[ 1 - r*/r] + b0 où b0 est une constante. La nullité du champ de gravitation à l'infini (de manière à assurer une métrique asymptotiquement plate avec μ = 0 quand r tend vers l'infini) nécessite que : b0 = 0. En reportant ces valeurs de α et μ dans la troisième équation, cette dernière est toujours satisfaite. Finalement, on trouve : g00 = -(1 - r*/r) g11 = 1 / (1 - r*/r) |
En faisant l'hypothèse que l'Espace-temps est spatialement homogène et isotrope (Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker), alors les potentiels de gravitation gab s'expriment en coordonnées sphériques (r, θ, φ) en fonction de deux paramètres k (constante) et a (fonction de t uniquement).
Ces gab permettent de calculer les composantes du Tenseur de Ricci (Rab) puis, par Contraction, la Courbure scalaire (R).
En faisant ensuite le choix d'un modèle Fluide Parfait pour le Tenseur Energie-impulsion (Tab), on calcule ses composantes en fonction de la pression p et de la densité ρ du milieu physique qui emplit l'espace.
L'équation d'Einstein se réduit alors à un système de deux équations différentielles des fonctions a(t), ρ(t) et p(t), appelées équations de Friedmann :
(F1) (a'/a)2 + k (c/a)2 = (1/3) ρ K c4 + (1/3) Λ c2
(F2) a"/a = -(1/6) (ρ + 3 p c-2) K c4 + (1/3) Λ c2
On complète le système en se donnant une équation d'état du fluide cosmique de type p = p(ρ). Un exemple d'équation d'état souvent utilisé est : p(t) = w ρ(t) c2 où w est une constante qui vaut -1 (vide quantique), 0 (pression nulle) ou 1/3 (radiation électromagnétique).
Cette équation d'état, associée aux deux équations (F1) et (F2), donne une relation remarquable liant ρ(t) et a(t) :
(Q0) ρ(t) a(t)3(1 + w) = ρ0 a03(1 + w) = constante
où ρ0 et a0 sont deux constantes (l'indice 0 correspondant généralement aux données actuelles).
Le système se réduit alors à une seule équation différentielle de la fonction a(t) (voir calculs détaillés ci-après) :
(Q1) (a')2 + k c2 = A a-(1 + 3 w) + B a2 (Q1a) A = (1/3) ρ0 (a0)3(1 + w) K c4 = constante (Q1b) B = (1/3) Λ c2 |
Cette équation différentielle s'intègre analytiquement pour w = -1, 0 ou 1/3 (avec Λ et k quelconques), ce qui détermine complètement a(t) et la métrique ds2 comme suit :
g00 = -1 g11 = a(t)2 (1 - k r2)-1 g22 = a(t)2 r2 g33 = a(t)2 r2 sin2[θ] gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3 |
La première équation de Friedmann (F1) est présentée souvent sous la forme condensée :
1 + Ωk = Ω + Ωv
avec :
H(t) = paramètre de Hubble (de dimension s-1) = a'/a qui rend compte de l'expansion de l'univers. Voir Loi de Hubble-Lemaître.
Ωk(t) = courbure réduite (sans dimension) = k (c/a)2 / H(t)2
Ω(t) = paramètre de densité (sans dimension) = (8/3) π G ρ(t) / H(t)2
Ωv(t) = Constante cosmologique réduite (sans dimension) = (1/3) Λ c2 / H(t)2
q(t) = paramètre de décélération (sans dimension) = -a a"/ (a')2 = -1 - H'(t)/H(t)2
Il semblerait que la valeur actuelle du paramètre de décélération soit négative (a" > 0), le ralentissement dû à l'attraction de la matière étant totalement compensé par l'accélération dû à une hypothétique énergie Noire.
La seconde équation de Friedmann (F2) s'écrit également sous la forme :
(Q2) a"/a = -F a-3(1 + w) + B
(Q2a) F = (1/2) (1 + 3 w) A
A noter que la relation (Q2) s'obtient également immédiatement par dérivation de la relation (Q1).
Dans le cas standard où ρ > 0 et w > (-1/3), on déduit alors des relations (Q1) et (Q2) l'allure générale des courbes a(t) pour Λ et k quelconques (voir Figure 1 ci-dessus avec Démonstration ci-après, ou Figure 2 ci-dessus cf [HAR Cosmology, tableau p.367] ou [LUM, tableau p.153]).
Toutes ces courbes, sauf deux, représentent des modèles avec Big Bang pour lesquels a(t) tend vers 0 lorsque t tend vers 0 :
- La courbe C1 relative au cas (Λ < 0), ou au cas (Λ = 0) et (k > 0), correspond à un modèle fermé (expansion décélérée avec un point maximum M1).
- La courbe C2 relative au cas (Λ = 0) et (k ≤ 0) correspond à un modèle ouvert (expansion décélérée).
- La courbe C4 relative au cas (Λ > 0) et (k ≤ 0), ou au cas (Λ > ΛF) et (k > 0), correspond à un modèle ouvert à point d'inflexion I (expansion décélérée puis accélérée). Le sous-cas (Λ > 0) et (k = 0) correspond au Modèle cosmologique standard quand la pression est nulle (w = 0).
- Les courbes C5, et C1 à nouveau, sont relatives au cas (0 < Λ < ΛF) et (k > 0). Elles correspondent à deux comportements possibles : un modèle ouvert de type non Big Bang (expansion accélérée avec un point minimum M2), et un modèle fermé avec un point maximum M1.
- La courbe C3 est relative au cas singulier (Λ = ΛF) et (k > 0). Elle correspond à un modèle statique (Univers statique d'Einstein) pour lequel a(t) = constante. Ce modèle est instable aux perturbations de densité ρ avec une tendance locale à l'expansion (courbe C5 après le point M2) ou à la contraction (courbe C1 avant le point M1).
A noter que ces courbes représentent un sous-ensemble de courbes répertoriées par Harrison [HAR Classification].
ΛF est la Constante cosmologique singulière de Friedmann qui s'écrit (voir Démonstration ci-après) :
(Q6) ΛF = (1/2)(1 + 3 w) ρF K c2
(Q6a) aF = ( (1/2)(1/k)(1 + w) ρF K c2 )-1/2
Pour k = 1 et ρF = ρE, on obtient les expressions ΛE et aE de l'Univers statique d'Einstein :
ΛE = (1/2)(ρE + 3 pE c-2) K c2
aE = ( (1/2)(ρE + pE c-2) K c2 )-1/2
Certaines solutions particulièrement simples pour a(t) sont présentées ci-dessous (l'indice 0 correspondant généralement aux données actuelles).
Hormis les deux premières solutions, les autres sont presque toutes des modèles avec Big Bang présentées selon les valeurs des paramètres w, puis Λ puis k.
1. Univers statique d'Einstein
C'est le modèle cosmologique statique avec : a(t) = aE ; ρ(t) = ρE ; p(t) = pE
où aE, ρE et pE sont des constantes.
La seconde équation de Friedmann (F2) devient alors : Λ = ΛE
avec : ΛE = (1/2)(ρE + 3 pE c-2) K c2
ΛE est la Constante cosmologique singulière d'Einstein qui caractérise un univers statique.
A noter qu'en dehors du vide (ρE = pE = 0), une solution statique ne peut exister qu'avec une Constante cosmologique non nulle.
En reportant cette valeur de Λ dans la première équation de Friedmann (F1), on obtient :
k /aE2 = (1/2)(ρE + pE c-2) K c2
Si le fluide cosmique satisfait à la condition d'énergie faible au sens strict, alors on a : ρE + pE c-2 > 0 et donc nécessairement : k > 0, donc : k = 1
La courbe a(t) est une constante (voir courbe C3 en Figure 1 ci-dessus) :
a(t) = aE = ( (1/2)(ρE + pE c-2) K c2 )-1/2
2. Espace-temps de De Sitter
C'est le modèle cosmologique du vide (ρ = p = 0) avec Λ > 0 et k = 0 (courbure plate).
La première équation de Friedmann (F1) devient alors : (a'/a)2 = (H0)2
avec H0 = B1/2 = c (Λ / 3)1/2
Cette équation s'intègre en :
a(t) = a0 eH0 (t - t0)
où a0 et t0 sont des constantes.
La courbe a(t) est de type exponentielle et n'est pas un modèle avec Big Bang.
3. Modèle de Friedmann avec courbure ouverte
C'est le modèle cosmologique sans pression (w = 0) avec Λ = 0 et k = -1 (courbure ouverte)
En remplaçant ces valeurs dans l'équation différentielle (Q1), on trouve :
a'2 = A a-1 + c2
avec A = A(w = 0) selon la relation (Q1a)
Cette équation s'intègre sous forme d'une équation paramétrique :
a(t) = D (cosh[m] - 1)
t - ti = (D/c) (sinh[m] - m)
avec D = (1/2) A c-2 et paramètre m > 0
où a0, ρ0 > 0 et ti sont des constantes, ti étant généralement fixée à 0 par un choix d'origine de la coordonnée t.
Le terme (t - ti) s'exprime plus simplement en fonction de (a) sous la forme :
t - ti = (D/c) ( ((a/D)(2 + (a/D)))1/2 - ln[ (1 + (a/D)) + ((a/D)(2 + (a/D)))1/2 ] )
La courbe a(t) est de type hyperbolique (voir Figure 3 ci-dessus pour k = -1).
4. Modèle de Friedmann avec courbure plate (ou Espace-temps d'Einstein-De Sitter)
C'est le modèle cosmologique sans pression (w = 0) avec Λ = 0 et k = 0 (courbure plate)
En remplaçant ces valeurs dans l'équation différentielle (Q1), on trouve :
a'2 = A a-1
avec A = A(w = 0) selon la relation (Q1a)
Cette équation s'intègre en :
a(t) = ( (1/j) A1/2 (t - ti) )j
avec j = 2/3
où a0, ρ0 > 0 et ti sont des constantes, ti étant généralement fixée à 0 par un choix d'origine de la coordonnée t.
La courbe a(t) est une fonction puissance (voir Figure 3 ci-dessus pour k = 0).
5. Modèle de Friedmann avec courbure fermée
C'est le modèle cosmologique sans pression (w = 0) avec Λ = 0 et k = 1 (courbure fermée)
En remplaçant ces valeurs dans l'équation différentielle (Q1), on trouve :
a'2 = A a-1 - c2
avec A = A(w = 0) selon la relation (Q1a)
Cette équation s'intègre sous forme d'une équation paramétrique :
a(t) = D (1 - cos[m])
t - ti = (D/c) (m - sin[m])
avec D = (1/2) A c-2 et paramètre m variant de 0 à 2 π
où a0, ρ0 > 0 et ti sont des constantes, ti étant généralement fixée à 0 par un choix d'origine de la coordonnée t.
Le terme (t - ti) s'exprime plus simplement en fonction de (a) sous la forme :
Pour t - ti < π (D/c) : t - ti = (D/c) ( Arccos[1 - (a/D)] - ((a/D)(2 - (a/D)))1/2 )
Pour t - ti > π (D/c) : t - ti = 2 π (D/c) - (expression (t - ti) du cas précédent)
La courbe a(t) est une cycloïde (point d'un cercle roulant sur une droite). Elle est symétrique par rapport à la valeur t - ti = π (D/c) (voir Figure 3 ci-dessus pour k = 1).
On notera que la courbe va du "Big Bang" (t - ti = 0) au "Big Crunch" (t - ti = 2 π (D/c)) en passant par une phase d'expansion (a' > 0) puis par une phase de contraction (a' < 0).
6. Modèle sans pression (w = 0) avec Λ non nul
La solution exacte de ce modèle est donnée par [KHA Some_exact_solutions].
7. Modèle sans pression (w = 0) avec Λ non nul et k = 0 (courbure plate)
En remplaçant ces valeurs dans l'équation différentielle (Q1), on trouve :
a'2 = A a-1 + B a2
avec A = A(w = 0) et B donnés par les relations (Q1a) et (Q1b)
Cette équation s'intègre en :
si Λ < 0 : a(t) = (-A/B)1/3 sin2/3[ (3/2) (-B)1/2 (t - ti) ]
si Λ > 0 : a(t) = (A/B)1/3 sinh2/3[ (3/2) B1/2 (t - ti) ]
où a0, ρ0 > 0 et ti sont des constantes, ti étant généralement fixée à 0 par un choix d'origine de la coordonnée t.
Si Λ < 0, la courbe a(t) est similaire à la courbe fermée du modèle de Friedmann (voir Figure 3 ci-dessus pour k = 1).
Si Λ > 0, la courbe a(t) comporte deux phases d'expansion successives (a' > 0). La première phase est similaire à la courbe ouverte du modèle de Friedmann (voir Figure 3 ci-dessus pour k = -1) avec décélération (a" < 0) mais menant à un point d'inflexion I (a" = 0). La seconde phase est à nouveau une courbe ouverte mais avec accélération (a" > 0) (voir courbe C4 en Figure 1 ci-dessus).
8. Modèle pour radiations électromagnétiques (w = 1/3) avec Λ non nul
La solution exacte de ce modèle est donnée par [KHA Some_exact_solutions].
9. Modèle pour radiations électromagnétiques (w = 1/3) avec Λ = 0
En remplaçant ces valeurs dans l'équation différentielle (Q1), on trouve :
a'2 + k c2 = A a-2
avec A = A(w = 1/3) selon la relation (Q1a)
Cette équation s'intègre en :
Pour k = -1 : a(t) = E c ( (1 + (1/E)(t - ti))2 - 1 )1/2
Pour k = 0 : a(t) = (4 A)1/4 (t - ti)1/2
Pour k = 1 : a(t) = E c ( 1 - (1 - (1/E)(t - ti))2 )1/2
avec E = (A)1/2 c-2
où a0, ρ0 > 0 et ti sont des constantes, ti étant généralement fixée à 0 par un choix d'origine de la coordonnée t.
Les courbes a(t) sont similaires aux courbes du modèle de Friedmann (voir Figure 3 ci-dessus pour k = -1, 0 et 1).
10. Modèle avec w > (-1/3), Λ = 0 et k = 0 (courbure plate)
En remplaçant ces valeurs dans l'équation différentielle (Q1), on trouve :
a'2 = A a-(1 + 3 w)
avec A = A(w) selon la relation (Q1a)
Cette équation s'intègre en :
a(t) = ( (1/j) A1/2 (t - ti) )j
avec j = (2/3) (1 + w)-1 < 1
où a0, ρ0 > 0 et ti sont des constantes, ti étant généralement fixée à 0 par un choix d'origine de la coordonnée t.
La courbe a(t) est une fonction puissance ayant une branche parabolique selon l'axe des temps quand t temps vers l'infini (voir Figure 3 ci-dessus pour k = 0).
Démonstration de l'allure générale des courbes a(t) selon équations de Friedmann : Les équations de Friedmann (F1) et (F2) s'écrivent sous la forme : (Q1) (a')2 + k c2 = A a-(1 + 3 w) + B a2 (Q2) a"/a = -F a-3(1 + w) + B (Q1a) A = (1/3) ρ0 (a0)3(1 + w) K c4 (Q1b) B = (1/3) Λ c2 (Q2a) F = (1/2) (1 + 3 w) A Dans le cas standard où ρ > 0 et w > (-1/3), A et F sont positifs et on déduit que : 1. Quand a tend vers 0, la relation (Q1) induit que la quantité (a') tend vers l'infini correspondant à l'explosion primordiale de l'univers (théorie du Big Bang). 2. Quand a tend vers l'infini, la relation (Q1) induit que : (Q3) Si Λ est positif, B est positif et la quantité (a')2 se comporte comme la quantité (B a2). (Q4) Si Λ est nul, la quantité (a')2 se comporte comme la quantité (-k c2) lorsque k est négatif et comme la quantité (A a-(1 + 3 w)) lorsque k est nul. 3. Quand a' et a" sont nuls ensemble, il s'agit d'un cas singulier pour lequel Λ = ΛF. Les relations (Q1) et (Q2) donnent la valeur singulière ΛF comme suit : (Q5) ΛF = 3 (k/m)m ( (1/n) A c-2 )-n (Q5b) n = 2/(1 + 3 w) > 0 (Q5c) m = n + 1 Et le facteur d'échelle singulier aF est fonction de ΛF comme suit : (Q5a) aF = ( 3 (k/m) ΛF-1 )1/2 = ( A c-2 (m/n)(1/k) )n/2 En exprimant la constante A au point singulier (aF, ρF), on obtient finalement : (Q6) ΛF = (1/n) ρF K c2 = (1/2)(1 + 3 w) ρF K c2 (Q6a) aF = ( (1/3)(m/n)(1/k) ρF K c2 )-1/2 = ( (1/2)(1/k)(1 + w) ρF K c2 )-1/2 4. Quand a' est nul, la relation (Q1) n'est vérifiée que pour certaines combinaisons de valeurs (Λ, k, w, A) qui sont les suivantes : Λ < 0 (Λ = 0) et (k > 0) (0 < Λ < ΛF) et (k > 0) (Λ = ΛF) et (k > 0) D'où les résultats suivants illustrés par les courbes C1 à C5 en Figure 1 ci-dessus : 5. Si Λ est négatif, B est négatif : 5.1. La relation (Q2) induit que la quantité (a") est toujours négative. L'évolution de a(t) est décélérée, sans point d'inflexion (a" = 0). 5.2. La relation (Q1) induit que a(t) atteint un maximum (a' = 0 ; point M1 sur courbe C1) pour lequel : (-B) a3(1 + w) + k c2 a(1 + 3 w) - A = 0 6. Si Λ est nul, B est nul : 6.1. La relation (Q2) induit que la quantité (a") est toujours négative. L'évolution de a(t) est décélérée, sans point d'inflexion (a" = 0). 6.2. Si k est négatif, la relation (Q4) induit que a(t) tend vers la ligne droite a(t) = c (-k)1/2 t quand a tend vers l'infini (courbe C2). 6.3. Si k est nul, la relation (Q4) induit que a(t) tend vers la courbe a(t) = ((1/j) A1/2 t)j avec j = ( (2/3) (1 + w)-1 ) quand a tend vers l'infini (courbe C2). 6.4. Si k est positif, la relation (Q1) induit que a(t) atteint un maximum (a' = 0 ; point M1 sur courbe C1) pour lequel : a(1 + 3 w) = (1/k) A c-2 7. Si Λ est positif, B est positif : 7.1. La relation (Q2) induit que la quantité (a") est d'abord négative (évolution décélérée) lorsque a tend vers zéro (courbes C1, C2 et C4), puis devient positive (évolution accélérée) après passage par un point d'inflexion (a" = 0 ; point I sur courbe C4) pour lequel : aI 3(1 + w) = F/B. 7.2. La relation (Q3) induit que a(t) tend vers la courbe exponentielle a(t) = exp[ B1/2 t ] lorsque a tend vers l'infini (courbes C4 et C5). 7.3. Cas singulier (courbe C3) : lorsque Λ est égal à ΛF, avec k positif, la relation (Q1) induit que la courbe a(t) possède un point à tangente horizontale (a' = 0) et à courbure nulle (a" = 0). 7.4. Lorsque Λ est inférieur à ΛF, avec k positif, la relation (Q1) induit que la courbe a(t) possède deux extremum (a' = 0 ; points M1 et M2) pour lequels : B a3(1 + w) - k c2 a(1 + 3 w) + A = 0. Ce modèle possède deux types de comportement possible : un modèle ouvert (a" > 0) avec un minimum en M2 (courbe C5), et un modèle fermé (a" < 0) avec un maximum en M1 (courbe C1), les points d'inflexion respectifs I1 et I2 de chaque modèle étant fictifs et rejetés dans la bande interdite (a1 < a < a2). A noter que le modèle ouvert de ce cas n'est pas un modèle avec Big Bang. |
Calcul détaillé des composantes gab, Rab, R, Sab, Tab et a(t) [GOU, Relativité Générale, p.195] : Dans le cas d'un Espace-temps spatialement homogène et isotrope (Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker), les potentiels de gravitation gij du Tenseur métrique sont les suivants : g00 = -1 g11 = a2 (1 - k r2)-1 g22 = a2 r2 g33 = a2 r2 sin2[θ] gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3 où k est une constante (0, 1 ou -1) et a une fonction de t uniquement. Les potentiels de gravitation gij du Tenseur métrique inverse sont alors les suivants tels que : gij gjk = δik où δ est le Symbole de Kronecker. g00 = -1 g11 = a-2 (1 - k r2) g22 = a-2 (1/r2) g33 = a-2 (1/r2) sin-2[θ] gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3 Les symboles de Christoffel Γijk s'écrivent ensuite par les relations : Γijk = (1/2) gil (glk,j + glj,k - gjk,l) Γ011 = a a' (1/c)/(1 - k r2) ; Γ022 = a a' r2 (1/c) ; Γ033 = a a' r2 (1/c) sin2[θ] Γ101 = Γ110 = a' (1/c)(1/a) ; Γ111 = k r / (1 - k r2) ; Γ122 = -r (1 - k r2) ; Γ133 = -r (1 - k r2) sin2[θ] Γ202 = Γ220 = a' (1/c)(1/a) ; Γ212 = Γ221 = 1/r ; Γ233 = -cos[θ] sin[θ] Γ303 = Γ330 = a' (1/c)(1/a) ; Γ313 = Γ331 = 1/r ; Γ323 = Γ332 = 1/ tan[θ] où a' = d(a)/dt Les autres symboles de Christoffel sont tous nuls. Les composantes Rij du Tenseur de Ricci s'écrivent ensuite par les relations : Rij = Rkikj = Γkij,k - Γkik,j + Γkkl Γlij - Γkjl Γlik R00 = -3 a" (1/a) c-2 R11 = (a a" + 2 a'2 + 2 k c2) c-2/(1 - k r2) R22 = (a a" + 2 a'2 + 2 k c2) (r/c)2 R33 = sin2[θ] R22 Les autres composantes Rij sont toutes nulles. La Courbure scalaire s'écrit ensuite par la relation : R = gij Rij R = 6 c-2 (b + a"/a) avec b = (a'/a)2 + k (c/a)2 Le Tenseur d'Einstein modifié s'obtient ensuite par la relation : Sab = Rab - (1/2) gab R + Λ gab S00 = R00 + (R/2) - Λ S11 = ( (2b + a"/a) c-2 - 3 (b + a"/a) c-2 + Λ ) a2 /(1 - k r2) S22 = S11 r2 (1 - k r2) S33 = S22 sin2[θ] Les autres composantes Sij sont toutes nulles. Pour un Fluide Parfait de densité ρ et de pression p, le Tenseur Energie-impulsion du Fluide Parfait s'obtient ensuite par la relation : Tij = (c2 ρ + p) ui uj + p gij L'hypothèse d'isotropie spatiale induit que l'Observateur est Comobile avec le fluide. L'hypothèse d'homogénéité spatiale induit également que ρ et p sont des quantités fonction de t uniquement. D'où l'expression de Tij : T00 = ρ c2 T11 = p a2 /(1 - k r2) T22 = T11 r2 (1 - k r2) T33 = T22 sin2[θ] Les autres composantes Tij sont toutes nulles. L'équation d'Einstein s'écrit alors par la relation : Sab = K Tab S00 = K T00 S11 = K T11 S22 = K T22 S33 = K T33 0 = Sij = K Tij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3 L'équation d'Einstein se réduit alors aux 2 équations suivantes : b = (1/3) ρ K c4 + (1/3) Λ c2 (1/2) b + a"/a = (1/2) Λ c2 - (1/2) p K c2 En reportant la première équation dans la seconde, on obtient les équations de Friedmann : (F1) (a'/a)2 + k (c/a)2 = (1/3) ρ K c4 + (1/3) Λ c2 (F2) a"/a = -(1/6) (ρ + 3 p c-2) K c4 + (1/3) Λ c2 En dérivant la première équation par rapport à t et en remplaçant a" dans la seconde, on obtient la relation simple suivante : dρ/dt = -3 (a'/a)(ρ + p c-2) Dans le cas d'une équation d'état du fluide cosmique de type : p(t) = w ρ(t) c2, cette relation devient : dρ/ρ = -3 (1 + w)(da/a) qui s'intègre en : ρ(t) = ρ0 (a0 / a(t))3(1 + w) où ρ0 et a0 sont deux constantes (l'indice 0 correspondant généralement aux données actuelles). En reportant cette expression de ρ(t) dans la première équation de Friedmann (F1), on obtient une équation différentielle fonction de a(t) uniquement : (Q1) (a')2 + k c2 = A a-(1 + 3 w) + B a2 (Q1a) A = (1/3) ρ0 (a0)3(1 + w) K c4 (Q1b) B = (1/3) Λ c2 |
La Relativité Générale explique avec succès trois types de décalages spectraux fondamentaux [AND Théorie - Partie 2] :
L'Effet Doppler-Fizeau qui induit un décalage spectral dû à un effet de vitesse de la source lumineuse par rapport à l'Observateur.
Ce décalage est dirigé indifféremment vers le bleu ou le rouge suivant que la vitesse est une vitesse d'approche ou d'éloignement mais dont l'effet transversal est toujours dirigé vers le rouge.
L'Effet Einstein qui induit un décalage spectral d'origine gravitationnel dû à l'effet d'une masse proche de la source.
Un rayonnement émis dans un champ gravitationnel intense est observé avec un décalage qui est toujours dirigé vers le rouge.
La Loi de Hubble-Lemaître qui induit un décalage spectral cosmologique dû à un effet de distance de la source.
Ce décalage est toujours dirigé vers le rouge.
Pour expliquer ces phénomèmes très profonds de la physique, la Relativité Générale a dù passer par les généralisations successives de la notion d'Espace-temps :
- L'espace-temps euclidien pour interpréter l'Effet Doppler-Fizeau.
- L'espace-temps courbe pour interpréter l'Effet Einstein.
- L'espace-temps à courbure variable pour interpréter la Loi de Hubble-Lemaître.
Le Lexique ci-dessous détaille les termes et notions utilisés dans cette page, listés par ordre alphabétique.
Un indice supérieur peut être changé en un indice inférieur par multiplication avec le Tenseur métrique gij puis Contraction des indices. Exemples :
Uik = gij Ujk
Ulm = gjl gkm Ujk
Uklm = glp Ukpm
Attention : Si on garde la même lettre pour le tenseur résultat (après suppression des indices identiques), alors la notation peut devenir ambigüe (voir Contraction des indices).
Figure 1 ci-dessus : Phénomème d'aberration lumineuse
Figure 2 ci-dessus : Distorsion de la sphère céleste. Les quatre images correspondent à différentes valeurs de la vitesse v de l'observateur mobile O' (v = 0 ; 0.3 c ; 0.6 c ; 0.9 c) [GOU, Relativité Restreinte, p.162].
L'aberration de la lumière est la différence entre les directions d'incidence d'un même rayon lumineux perçues par deux Observateurs en mouvement relatif.
Il ne s'agit pas d'un effet purement relativiste car l'aberration résulte du temps fini de propagation d'un signal, comme le montre l'exemple du piéton qui marche sous la pluie : la pluie tombant verticalement par rapport au sol, le piéton doit incliner son parapluie vers l'avant s'il ne veut pas être mouillé.
Soit O un Observateur d'un référentiel R et O' un Observateur d'un référentiel R' en translation rectiligne uniforme de vitesse v par rapport à R.
Dans le cas d'une source lumineuse M vue par O', la lumière émanant de M semble provenir de M' et non de M (voir Figure 1 ci-dessus).
u est le vecteur unitaire de la propagation lumineuse MO.
Si la propagation lumineuse u fait avec la vitesse v un angle θ dans R et θ' dans R', alors on a la relation :
cos[θ'] = (cos[θ] - v/c) / (1 - cos[θ] v/c)
En utilisant la relation : tan2[θ/2] = (1 - cos[θ])/(1 + cos[θ]), on a la relation équivalente :
tan[θ'/2] = ( (1 + v/c)/( 1 - v/c) )1/2 tan[θ/2] |
On a donc toujours : θ' > θ, comme si la lumière reçue par l'Observateur mobile se concentrait vers sa direction de déplacement.
- Lorsque la propagation u est parallèle à la vitesse v dans le référentiel R (θ = 0 ou π), alors la formule se réduit à : cos[θ'] = 1 ou -1, ce qui induit : θ' = 0 ou π, et il n'y a pas d'effet d'aberration.
- Lorsque u est perpendiculaire à v dans le référentiel R (θ = π/2), alors la formule se réduit à : cos[θ'] = -v/c, ce qui induit : θ' > π/2 (et le piéton doit incliner son parapluie vers l'avant).
Pour un Observateur terrestre O' (v = 30 km.s-1), l'Image d'une étoile située au pôle nord de l'écliptique (θ = π/2) décrit ainsi en une année un cercle de rayon 20'' autour de ce pôle. A ne pas confondre avec la parallaxe qui est l'angle de vue d'une étoile lorsque la Terre parcours son orbite et qui vaut au maximum 0.77'' pour l'étoile la plus proche (Proxima Centauri) [GOU, Relativité Restreinte, p. 162].
- Lorsque v est petit devant c, il n'y a pas d'effet d'aberration (θ' = θ).
Le phénomème d'aberration se visualise très bien en considérant une grille uniforme sur la sphère céleste de l'Observateur O (voir Figure 2 ci-dessus). L'Observateur O' voit apparaître dans son champ de vision des directions qui étaient hors champ pour l'Observateur O, jusqu'à voir les deux pôles célestes en même temps.
L'aberration relativiste de la lumière a été démontrée directement par l'équipe de Daniel Giovannini de l'Université de Glasgows, en laboratoire terrestre.
L'âge de l'univers est la durée écoulée depuis le Big Bang. La meilleure approximation actuelle est donnée par : 1 / H0
où H0 est la constante de Hubble (voir Loi de Hubble-Lemaître),
ce qui donne un âge d'environ 13 milliards d'années.
Voir Symétrie et antisymétrie.
Soit [A] la matrice de passage de la base {ei} à la base {e'k} telle que : e'k = Aik ei, et [B] = [A-1] la matrice de passage inverse telle que : ei = Bik e'k
Pour un tenseur quelconque T d'ordre 2, en utilisant la multilinéarité de T et les propriétés de Covariance et contravariance, les composantes du tenseur T' sont données par les lois suivantes :
T'ij = Aki Alj Tkl
T' ij = Bik Bjl Tkl
T' ij = Bik Alj Tkl
Le changement de base transforme le tenseur T en un tenseur T' dont les composantes sont des combinaisons linéaires des composantes du tenseur origine.
Pour un tenseur quelconque T p fois contravariant et q fois covariant, la loi générale de transformation est la suivante [GOU, Relativité Restreinte, p. 476] :
T' i1... ip j1... jq = (Bi1 k1) ... (Bip kp) (Al1 j1) ... (Alq jq) T k1... kp l1... lq |
Si ei sont les vecteurs de base de l'Espace-temps, la base {ei} est dite [GOU, Relativité Générale, p.21] :
directe lorsque : Ε(e0, e1, e2, e3) > 0 et indirecte lorsque : Ε(e0, e1, e2, e3) < 0 |
où Ε est le Tenseur de Levi-Civita.
En tout point M de coordonnées (x0, x1, x2, x3) de l'Espace-temps, la base naturelle associée au point M est l'ensemble des vecteurs ui vérifiant la relation suivante [GOU, Relativité Restreinte, p.492] [GOU, Relativité Générale, p.19] :
d(OM) = d(xi) ui |
ui décrit ainsi l'accroissement de la coordonnée xi au voisinage de M (voir Figure ci-dessus) et se note vectoriellement : ui = d/d(xi). A ne pas confondre avec l'opérateur dérivée partielle.
Propriétés :
- Les vecteurs ui constituent une base vectorielle de l'Espace-temps.
- Chaque vecteur ui est en fait un champ de vecteurs qui peut s'écrire :
En coordonnées cartésiennes (t, x, y, z) : ut = (1, 0, 0, 0) ux = (0, 1, 0, 0) uy = (0, 0, 1, 0) uz = (0, 0, 0, 1) La base naturelle est la même en tout point M. En coordonnées sphériques (t, r, θ, φ) : ut ur = sin[θ] cos[φ] ux + sin[θ] sin[φ] uy + cos[θ] uz uθ = r cos[θ] cos[φ] ux + r cos[θ] sin[φ] uy - r sin[θ] uz uφ = -r sin[θ] sin[φ] ux + r sin[θ] cos[φ] uy La base naturelle change avec le point M. |
Les vecteurs ur, uθ et uφ ne constituent pas une Base orthonormée de R3 pour le produit scalaire euclidien usuel.
La base orthonormée associée (appelée "base naturelle normalisée") s'écrit : (ur, r-1 uθ, (r sin[θ])-1 uφ).
Démonstration de l'expression des ui en coordonnées sphériques : Les coordonnées sphériques sont définies à partir des coordonnées cartésiennes selon les relations suivantes (voir Figure ci-dessus) : x = r sin[θ] cos[φ] y = r sin[θ] sin[φ] z = r cos[θ] En utilisant la loi de composition des "dérivées partielles", le vecteur ur s'écrit alors comme suit : ur = d(OM)/dr = (dx/dr) d(OM)/dx + (dy/dr) d(OM)/dy + (dz/dr) d(OM)/dz = sin[θ] cos[φ] ux + sin[θ] sin[φ] uy + cos[θ] uz De même, on trouve respectivement : uθ = d(OM)/dθ = (dx/dθ) d(OM)/dx + (dy/dθ) d(OM)/dy + (dz/dθ) d(OM)/dz = r cos[θ] cos[φ] ux + r cos[θ] sin[φ] uy - r sin[θ] uz uφ = d(OM)/dφ = (dx/dφ) d(OM)/dx + (dy/dφ) d(OM)/dy + (dz/dφ) d(OM)/dz = -r sin[θ] sin[φ] ux + r sin[θ] cos[φ] uy |
Si ei sont les vecteurs de base de l'Espace-temps, la base {ei} est dite orthonormée (relativement au Produit scalaire g) lorsque [GOU, Relativité Générale, p.26] :
g00 = e0.e0 = -1 gii = ei.ei = 1 pour i = 1 à 3 gij = ei.ej = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3 |
La matrice [gij] de cette base particulière, notée [ηij], est appelée matrice de Minkowski et correspond à l'Espace-temps de la Relativité Restreinte en coordonnées cartésiennes.
Définition :
Le Big Bang est un mot ayant une double signification :
- Evénement marquant le début de l'expansion de l'univers, sans que cela préjuge de l'existence d'un "instant initial" ou d'un commencement à son histoire.
- Modèle cosmologique standard décrivant l'évolution de l'univers, depuis un état infiniment dense et incroyablement chaud (1013 °C) jusqu'à aujourd'hui.
Le Big Bang, appelé abusivement "explosion primordiale", est en fait une "dilatation primordiale" telle que le facteur d'échelle a(t) tende vers 0 quand t tend vers 0. Il n'y a pas éjection de matière à partir d'un endroit de l'univers mais dilatation de l'espace réduit en un point, qui emmène avec lui tous les objets de l'univers.
Le Big Bang a été formulé en 1927 par Georges Lemaître et confirmé en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson par la découverte du fonds cosmique micro-onde représentant le rayonnement résiduel de l'univers primordial.
Chronologie simplifiée (cf [Les secrets de l'espace] et http://scphysiques.free.fr/2nde/documents/Histoire_atome/bigbang.html ) :
- Entre 0 et 10-43 secondes après le Big Bang, correspondant à l' "ère de Planck", sorte de quantum temporel incompressible selon la physique quantique, notre physique est muette mais les scientifiques pensent qu'à la fin de cette période, la gravité s'est séparée des autres forces de la nature (force nucléaire forte, force nucléaire faible et force électromagnétique).
- Entre 10-43 et 10-6 secondes après le Big Bang, les scientifiques décrivent l'évolution de l'univers à partir d'hypothèses. Le Big Bang ne peut être décrit selon les équations connues de la physique qu'à partir de 10-6 secondes.
- Environ 10-32 secondes après le Big Bang, une des hypothèses est que l'univers était une "soupe" de particules élémentaires et d'antiparticules. Certaines existent toujours aujourd'hui sous forme de quarks, d'antiquarks et de bosons comme les gluons. D'autres n'existent plus comme les gravitons (particules hypothétiques qui transmettent la gravité) et les bosons de Higgs qui transmettent de la masse à d'autres particules.
- 300 000 ans après le Big Bang, lorsque la température chute à environ 2700 °C, se forment les premiers atomes d'hydrogène et d'hélium. Les électrons étant alors liés aux atomes, matière et rayonnement deviennent découplés. Les photons peuvent alors voyager à travers l'univers sous forme de rayonnement. Ils atteignent la Terre non pas sous forme de lumière visible mais en tant que photons de faible énergie du fond diffus cosmologique.
- 200 millions d'années après le Big Bang, apparaissent les premières étoiles constituées presque exclusivement d'hydrogène et d'hélium. Au cours de leur vie et de leur mort, ces premières étoiles créent de nouveaux éléments chimiques à partir de la fusion nucléaire dans les noyaux chauds de ces étoiles, comme le carbone, l'oxygène, le silicone et le fer. Ces éléments chimiques sont dispersés dans l'espace et dans d'autres galaxies.
- Les secondes et troisièmes générations d'étoiles se forment plus tard dans ce milieu interstellaire enrichi. Elles créent encore plus d'éléments chimiques renvoyés dans le milieu interstellaire via les vents solaires et les explosions de supernovae.
- L'Histoire de l'univers se poursuit ensuite avec la création de notre Soleil, de la Terre et de la vie sur Terre. A noter que la Terre ne recevra jamais de lumière visible avant la combustion des premières étoiles.
- Aujourd'hui, l'univers est extrêmement peu dense (quelques atomes par mètre cube) et froid (-271 °C).
Deux objets matériels sont dits comobiles lorsqu'il sont fixes l'un par rapport à l'autre dans un référentiel donné. Ils partagent alors le même mouvement spatial, que ce soit en Relativité Restreinte (où ils ont la même vitesse dans un Référentiel inertiel) ou en Relativité Générale (où ils suivent des Géodésiques parallèles dans l'Espace-temps courbé).
Le cône de lumière est une notion fondamentale de la Relativité Restreinte, permettant la distinction entre un événement passé, un événement futur et un événement inaccessible (dans le passé ou dans le futur).
Si un signal lumineux part du point origine O pour aller au point M de coordonnées (x, y, z), alors le lieu des trajectoires des rayons lumineux issu de O dans l'Espace-temps sera un hypercône d'équation : c2 t2 = x2 + y2 + z2, appelé Cône de lumière (voir Figure ci-dessus, pour laquelle x représente de façon simplifiée les trois coordonnées spatiales x, y et z).
L'histoire de la Constante cosmologique Λ est particulièrement mouvementée :
- En 1915, Einstein publie son Equation de la Relativité Générale, sans constante cosmologique Λ.
- En 1917, Einstein rajoute le paramètre Λ à son Equation lorsqu'il se rend compte que sa théorie implique un univers dynamique pour lequel l'espace est fonction du temps. Il donne alors à cette constante une valeur très particulière pour forcer son modèle d'univers à demeurer statique et éternel (Univers statique d'Einstein), ce qu'il appellera plus tard "la plus grande bêtise de sa vie".
- En 1922, le physicien russe Alexander Friedmann montre mathématiquement que l'Equation d'Einstein (avec Λ quelconque) reste valide dans un univers dynamique.
- En 1927, l'astrophysicien belge Georges Lemaître montre que l'univers est en expansion en combinant la Relativité Générale avec certaines observations astronomiques, celles de Hubble notamment.
- En 1931, Einstein accepte finalement la théorie d'un univers en expansion et propose, en 1932 avec le physicien et astronome hollandais Willem de Sitter, un modèle d'univers en expansion continu à constante cosmologique nulle (Espace-temps d'Einstein-De Sitter).
- En 1998, deux équipes d'astrophysiciens menées, l'une par Saul Perlmutter, l'autre par Brian Schmidt et Adam Riess, réalisent des mesures sur de lointaines supernovae et montrent que la vitesse de récession des galaxies par rapport à la Voie lactée augmente au cours du temps. L'univers est en expansion accélérée, ce qui nécessite d'avoir un Λ strictement positif. L'univers contiendrait une mystérieuse énergie Noire produisant une force répulsive qui contrebalance le freinage gravitationnel produit par la matière contenue dans l'univers (voir Modèle cosmologique standard).
Pour ces travaux, Perlmutter (Américain), Schmidt (Américano-australien) et Riess (Américain) reçoivent conjointement le Prix Nobel de physique en 2011.
- En 2015, la valeur de la constante cosmologique est estimée à Λ = 1,11 10-52 m-2
La constante de structure de l'espace-temps est une constante qui s'apparente à une vitesse limite de propagation des interactions. Elle apparaît au cours de la démonstration des équations de la Transformation de Lorentz-Poincaré et correspond au postulat de causalité qui garantit l'ordre temporel des événements causaux dans tous les référentiels inertiels.
Cette constante est prise égale à la plus grande vitesse mesurée actuellement qui est celle des phénomènes électromagnétiques dans le vide, en l'occurence la vitesse de la lumière dans le vide (c).
L'opération de contraction des indices d'une composante mixte d'un Tenseur consiste à choisir deux indices, l'un covariant, l'autre contravariant, puis à les égaler et à sommer par rapport à cet indice deux fois répété.
Par exemple, pour un tenseur U d'ordre 3 dont les composantes mixtes sont Uijk, la contraction sur les indices j et k donne le Tenseur Ti = Uikk = Ui11 + Ui22 + ... Uinn
Les quantités Ti ainsi obtenues, composantes contractées du tenseur U, forment les composantes d'un tenseur T d'ordre 1.
A noter que l'opérateur "produit matriciel" est un cas particulier du Produit tensoriel Uij ⊗ Vkl contracté sous la forme : Til = Uik Vkl
Autres exemples :
Cas du Tenseur de courbure Rijkl : la contraction sur les indices i et k donne le Tenseur de Ricci : Rjl = Rkjkl
Attention : Si on garde la même lettre pour le tenseur résultat (après suppression des indices identiques), alors la notation peut devenir ambigüe. Pour le Tenseur Rijlk (différent de Rijkl), la contraction sur les indices i et k donne le Tenseur Rkjlk = Rjl, c'est-à-dire l'opposé du Tenseur de Ricci malgré la notation identique Rjl.
Cas du Tenseur de courbure Rijkl : l'Elévation de l'indice i donne, après contraction sur les indices m et i, le Tenseur gmi Rijkl = Rmiijkl = Rmjkl
Attention : Si on garde la même lettre pour le tenseur résultat (après suppression des indices identiques), alors la notation peut devenir ambigüe. Pour le Tenseur de courbure Rjikl (différent de Rijkl), sa contraction avec gmi donne le Tenseur gmi Rjikl = Rmijikl = Rmjkl, c'est-à-dire l'opposé du Tenseur Rmiijkl malgré la notation identique Rmjkl.
En Relativité Restreinte, si un bipoint de longueur propre donnée (l0) est fixe dans un référentiel, alors sa longueur dans tout autre référentiel est inférieure à la longueur propre et s'appelle longueur apparente (l).
Certains auteurs parlent à ce propos de Contraction des longueurs. Cette contraction n'est pas physique mais résulte simplement de mesures qui n'ont de sens que par rapport à un référentiel donné.
La contraction des longueurs n'intervient que dans la direction du mouvement relatif entre référentiels. Il n'y a pas de contraction dans les directions orthogonales.
Ce phénomème a été démontré indirectement par Bruno Rossi et David B. Hall via l'expérience des muons cosmiques.
Démonstration de la relation : l < l0 en Relativité Restreinte [ANN Electricité_2] : Soit une règle rigide fixe dans le référentiel R. Ses extrémités sont situées respectivement aux coordonnées (x1, y1, z1) et (x2, y2, z2). Sa longueur (propre) l0 est telle que : l02 = (x2 - x1)2 + (y2 - y1)2 + (z2 - z1)2 Pour un Observateur du référentiel R' en translation rectiligne uniforme à la vitesse v par rapport à R, qui repère au même instant t' les extrémités de la règle, il trouve des coordonnées (x1', y1', z1') et (x2', y2', z2') données par la Transformation inverse de Lorentz-Poincaré : x1 = γ (x1' + v t') y1 = y1' z1 = z1' x2 = γ (x2' + v t') y2 = y2' z2 = z2' Pour cet observateur, la longueur (apparente) l de la règle est donc telle que : l2 = (x2' - x1')2 + (y2' - y1')2 + (z2' - z1')2 = (x2 - x1)2 γ-2 + (y2 - y1)2 + (z2 - z1)2 = l02 - (x2 - x1)2 (1 - γ-2) = l02 - (x2 - x1)2 (v/c)2 D'où : l < l0 |
Afin d'alléger les expressions des dérivées des fonctions dépendant de n variables f(x1, x2... xn), on note les dérivées partielles sous les formes suivantes :
f,i = di(f) = d(f)/d(xi) f,i,j = dij(f) = d2(f)/(dxi dxj) grad(f) = gradient d'une fonction f. Dans toute Base naturelle, ses coordonnées sont [GOU, Relativité Restreinte, p.500] : ( grad(f) )i = d(f)/d(xi) div(v) = divergence d'un vecteur v. Dans toute Base naturelle, on a [GOU, Relativité Restreinte, p.507] : div(v) = (-g)-1/2 d( (-g)1/2 vi )/d(xi) Δ(f) = Laplacien d'une fonction f = div(grad(f)) Δ(v) = Laplacien d'un vecteur v = grad(div(v)) - rot(rot(v)). Ses coordonnées sont : (Δ(v))i = Δ(vi) ◊() = d'Alembertien d'une fonction f ou d'un vecteur v. On a [GOU, Relativité Restreinte, p.594] : ◊() = gij (d/dxi) (d/dxj) Dans un Référentiel inertiel : ◊() = - c-2 d2()/dt2 + d2()/dx2 +d2()/dy2 +d2()/dz2 rot(v) = rotationnel d'un vecteur v. Dans toute Base naturelle et orthonormée, ses coordonnées sont [GOU, Relativité Restreinte, p.511] : ( rot(v) )i = εijk d(vk)/d(xj) avec : g = Déterminant de la matrice gij associée au Tenseur métrique g gij = composantes inverses du Tenseur métrique εijk = Symbole de Levi-Civita Propriétés : div[rot()] = 0 rot[grad()] = 0 Δ(v) = grad[div(v)] - rot[rot(v)] ◊() est invariant par la Transformation de Lorentz-Poincaré. |
Démonstration de l'invariance du d'Alembertien par la Transformation de Lorentz-Poincaré : Dans un Référentiel inertiel, le d'Alembertien ◊ s'écrit : ◊ = d2/dx2 + d2/dy2 + d2/dz2 - c-2 d2/dt2 = C1 C2 + d2/dy2 + d2/dz2 C1 = d/dx - c-1 d/dt C2 = d/dx + c-1 d/dt On se place dans le cas simplifié où l'axe x' du référentiel R' est parallèle à l'axe x du référentiel R (voir Transformation de Lorentz-Poincaré). Les relations (L1) et (L2) donnent par dérivation partielle : d/dx = (d/dx')(dx'/dx) + (d/dt')(dt'/dx) = γ ( (d/dx') - (d/dt') β c-1 ) d/dt = (d/dx')(dx'/dt) + (d/dt')(dt'/dt) = γ ( (d/dt') - (d/dx') β c ) d2/dy2 = d2/dy'2 d2/dz2 = d2/dz'2 En reportant ces expressions dans C1 et C2, on trouve : C1 = γ (d/dx' - c-1 d/dt') (1 + β) C2 = γ (d/dx' + c-1 d/dt') (1 - β) Compte tenu de l'expression de γ (relation (L3)), on trouve alors le résultat suivant : ◊ = (d/dx' - c-1 d/dt')(d/dx' + c-1 d/dt') + d2/dy'2 + d2/dz'2 = C1' C2' + d2/dy'2 + d2/dz'2 = ◊' L'identité : ◊ = ◊' montre que le d'Alembertien est invariant par changement de Référentiel inertiel. |
En Relativité, les conventions de signe classiques sont celles de Misner, Thorne et Wheeler [MTW, Gravitation, 1973], appellées aussi "Landau-Lipschitz Spacelike Convention" (LLSC),
avec un Tenseur métrique de Signature (-, +, +, +), un Tenseur de courbure défini par Rijkl = Γijl,k + ..., et un Tenseur de Ricci défini par Rij = Rkikj
Si on définit par (C1), (C2), (C3) et (C4) les quatre signes suivants, ces auteurs classent la plupart des conventions existantes selon les trois signes indépendants (C1)(C2)(C4).
(C1) Signature (-, +, +, +)
(C2) Tenseur de courbure défini par Rijkl = Γijl,k + ...
(C3) Tenseur de Ricci défini par Rij = Rkikj
(C4) "Signe d'Einstein" qui est le signe devant le second membre K Tab de l'Equation d'Einstein et correspondant à (C4) = (C2)(C3)
Ces conventions de signe classiques sont également utilisées par Caroll (Spacetime and Geometry, 2004), Hartle (Gravity, 2003), Hawking & Ellis (The large scale structure of space-time, 1973), Poisson (A Relativist's Toolkit, The Mathematics of Black-Hole Mechanics, 2004) et Gourgoulhon ([GOU, Relativité restreinte, pp 8][GOU, Relativité générale, pp 24, 109, 111]).
Pour un espace vectoriel de dimension n ayant pour vecteurs de base l'ensemble (e1, e2... en), tout vecteur x de cet espace peut s'écrire : x = x1 e1 + x2 e2 + ... + xn en = ∑k=1, n[xk ek]
Afin d'alléger cette écriture, on utilise une convention de notation consistant à supprimer le symbole "Somme", ce qui s'écrit sous forme condensée :
x = xk ek où l'indice k (appelé indice muet) varie toujours de 1 à n. |
La sommation s'effectue sur les indices à condition toutefois qu'ils soient répétés respectivement en haut et en bas dans un même monôme.
Quand le symbole prime est utilisé pour distinguer deux bases distinctes d'un même espace vectoriel, on peut encore simplifier la notation en plaçant le symbole prime sur l'indice plutôt que sur le vecteur : x = x'k e'k = xk' ek'
Certains termes d'une somme peuvent comporter plusieurs indices. Par exemple, dans la somme akm bm, la sommation se fait sur l'indice m. L'indice k (appelé indice libre) caractérise alors un terme particulier.
Ainsi, l'équation ck = akm bm pour n = 3 représente le système d'équations :
c1 = a11 b1 + a12 b2 + a13 b3
c2 = a21 b1 + a22 b2 + a23 b3
c3 = a31 b1 + a32 b2 + a33 b3
Il n'y a pas ici de sommation sur l'indice k, celui-ci se trouvant seul dans le même monôme.
Lorsque le monôme comporte plusieurs indices muets, la sommation se fait à la fois sur tous ces indices. Par exemple, akm bm ck pour n = 4 représente une somme de 16 termes :
akm bm ck = a11 b1 c1 + a12 b2 c1 + a13 b3 c1 + a14 b4 c1 + ... + a21 b1 c2 + ... + a44 b4 c4
La convention de sommation s'applique également aux Dérivées partielles (exemple : gil,l) et aux Dérivées covariantes (exemple : Fkl;l), bien que le symbole de dérivée ne soit pas un indice covariant [DENIS, Cours, p.25].
Pour la Dérivée covariante, la contraction de l'indice d'un tenseur par l'indice de dérivation est en effet légitime en raison de la nature tensorielle de la Dérivée covariante et de la propriété de linéarité des tenseurs.
Le mot "courbure" a plusieurs significations en Relativité :
- Tenseur de courbure (ou tenseur de Riemann-Christoffel) de l'Espace-temps, qui est un Tenseur d'ordre 4. - Tenseur de Ricci de l'Espace-temps, qui est un Tenseur d'ordre 2. - Courbure scalaire R de l'Espace-temps, qui est un Tenseur d'ordre 0 (scalaire). - Courbure k* des hypersurfaces spatiales (liée au paramètre de courbure spatiale k) qui est un scalaire utilisé dans la Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. A ne pas confondre avec la Courbure scalaire R de l'Espace-temps. - Courbure a de la Ligne d'univers d'une particule matérielle. |
Les trois premières courbures dépendent uniquement des potentiels de gravitation gab et de leurs dérivées premières et secondes par rapport aux coordonnées. En Métrique de Minkowski, elles sont toutes nulles et correspondent à l'Espace-temps plat de la Relativité Restreinte.
La courbure scalaire de l'Espace-temps est un nombre (R) de dimension m-2 obtenu par Contraction du Tenseur de Ricci sous la forme :
R = gij Rij = Rii |
R est en fait la trace du tenseur de Ricci.
La covariance générale d'une loi physique n'a rien à voir avec la Covariance des composantes d'un tenseur. Le mot "covariance" ne se réfère pas à l'indice covariant d'un Tenseur mais indique seulement une écriture de la loi physique qui reste invariante de forme sous une transformation quelconque des coordonnées (invariance par difféomorphisme) [AMI Initiation_aux_Tenseurs, p.18].
Lorsque la loi physique peut s'écrire sous la forme tensorielle : T = 0, ou ce qui revient au même : P = Q avec T = P - Q (T, P et Q étant des Tenseurs de même type), alors tout changement de référentiel transforme cette équation sous la forme tensorielle : T' = 0, ce qui ne change pas la forme de la loi physique.
Démonstration : Prenons l'exemple d'une loi physique écrite sous la forme de l'équation tensorielle : T = 0, T étant un Tenseur mixte d'ordre 2. Soit [A] la matrice de passage de la base {ei} à la base {e'k} et [B] = [A-1] la matrice de passage inverse. Le Changement de base transforme les composantes Tij = 0 de cette équation en : T' ij = Bik Alj Tkl = 0 ce qui ne change pas la forme de la loi physique. |
Exemple de la loi de Newton : F = m γ
L'expression covariante de cette loi est en composantes contravariantes [AMI Initiation_aux_Tenseurs, p.18] :
Fi = m vi;t
avec : vi = dxi/dt
Le terme vi;t est la Dérivée covariante de la vitesse vi par rapport au temps t, laquelle vaut :
vi;t = vi;k (dxk/dt) = vi,k (dxk/dt) + Γijk vj vk = dvi/dt + Γijk vj vk
où Γijk sont les Symboles de Christoffel.
Si, de plus, la force F dérive d'un potentiel sous la forme : F = -grad(Φ), alors F peut s'écrire en composantes contravariantes : Fi = gij Fj = - gij dΦ/dxj
où les gij sont les composantes inverses du Tenseur métrique.
La loi de Newton s'écrit alors sous forme tensorielle :
gij dΦ/dxj + m ( d2xi/dt2 + Γijk (dxj/dt) (dxk/dt) ) = 0 |
Sous cette forme tensorielle, la loi de Newton restera invariante de forme sous une transformation quelconque des coordonnées (coordonnées sphériques par exemple).
Autre exemple : les Equations de Maxwell.
Les notions de vecteur covariant et contravariant s'appliquent à des référentiels non orthonormés, ce qui explique qu'elles ne sont pas abordées dans les cours de mathématiques du Secondaire voire du Supérieur. Lorsque la base est Orthonormée, il n'y a pas de différence entre composantes covariantes et contravariantes.
Pour un espace vectoriel E de dimension n ayant pour vecteurs de base l'ensemble (e1, e2... en), on appelle (voir Figure ci-dessus) :
Composantes contravariantes d'un vecteur x les nombres xi tels que : x = xi ei Composantes covariantes d'un vecteur x les nombres xj tels que : xj = x.ej. |
Les composantes contravariantes sont notées avec des indices supérieurs.
Les composantes covariantes sont notées avec des indices inférieurs.
L'appellation contravariante (resp. covariante) vient du fait que ces composantes se transforment, lors d'un changement de base, de manière inverse (resp. identique) à celle des vecteurs de base.
Lorsque les indices varient de 0 à 3, on emploie souvent les lettres grecques (telles que α ou μ) plutôt que les lettres latines (telles que i ou j).
On a les relations suivantes :
xj = gij xi xi = gij xj x.y = gij xi yj = gij xi yi |
où les coefficients gij sont les composantes du Tenseur métrique.
A noter que les composantes covariantes xj peuvent se définir également dans une base Duale sous la forme : x = xj ej où les ej sont les vecteurs de base de l'espace vectoriel Dual E* (voir Figure ci-dessus). |
Démonstration de l'appellation contravariance (resp. covariance) : On considère le changement de base {ei} = (e1, e2... en) vers la nouvelle base {e'k} = (e'1, e'2... e'n). Soit [A] la matrice de passage de la base {ei} à la base {e'k}. Les éléments de [A] sont les Aik tels que : e'k = Aik ei L'indice du haut est l'indice de ligne de la matrice. L'indice du bas est l'indice de colonne de la matrice. Soit [B] = [A-1] la matrice de passage inverse de la base {e'k} à la base {ei} telle que : ei = Bik e'k Pour les composantes contravariantes, on a : x = xi ei x = x' k e'k = x' k (Aik ei) = (Aik x' k) ei) D'où : xi = Aik x' k Et donc : x' i = Bik xk Les composantes contravariantes se transforment donc de manière inverse à celle des vecteurs de base (avec la matrice de passage inverse [B]). Pour les composantes covariantes, on a : xj = x.ej x'k = x.e'k = x.(Ajk ej) = Ajk (x.ej) = Ajk xj Les composantes covariantes se transforment donc de manière identique à celle des vecteurs de base (avec la même matrice de passage [A]). |
La dérivée covariante est l'expression générale de la dérivée qui reste invariante de forme sous une transformation quelconque des coordonnées. Elle contribue à rendre Covariantes les lois physiques.
Selon la procédure générale énoncée par Einstein [BARRAU, Relativité générale, p.64], "on obtient les lois physiques correctes en remplaçant les dérivées usuelles par des dérivées covariantes".
En utilisant la Convention de dérivée partielle et la Convention de sommation, pour tout Tenseur U d'ordre (n), sa dérivée covariante est le tenseur d'ordre (n + 1) de composantes suivantes (notées U ;l ou Dl U) :
Pour un scalaire : u;l = u,l Pour un vecteur contravariant : um;l = um,l + ur Γmrl Pour un vecteur covariant : ui;l = ui,l - ur Γril Pour un Tenseur d'ordre 2 contravariant : Umn;l = Umn,l + (Urn Γmrl + Urm Γnrl) Pour un Tenseur d'ordre 2 covariant : Uij;l = Uij,l - (Urj Γril + Uri Γrjl) Pour un Tenseur d'ordre 2 mixte : Umi;l = Umi,l + Uri Γmrl - Umr Γril ... Pour un Tenseur d'ordre 5 mixte : Umnijk;l = Umnijk,l + (Urnijk Γmrl + Urmijk Γnrl) - (Umnrjk Γril + Umnrik Γrjl + Umnrij Γrkl) |
où Γijk sont les Symboles de Christoffel.
Voir Convention de dérivée partielle.
Voir explication simple dans Relativité du temps, définition simple dans Temps, définition rigoureuse dans Facteur de Lorentz et application pratique dans GPS.
Démonstration de la relation : (t'B - t'A) > (tB - tA) en Relativité Restreinte [PER] : Soit deux événements A et B se produisant dans le référentiel R en des lieux différents (xA et xB) et à des instants différents (tA et tB). Pour un Observateur du référentiel R' en translation rectiligne uniforme à la vitesse v par rapport à R, les événements se produisent aux instants t'A et t'B donnés par la Transformation de Lorentz-Poincaré : Δt' = t'B - t'A = γ (tB - B xB) - γ (tA - B xA) = γ Δt ( 1 - B (Δx/Δt) ) = γ Δt (1 - (v/c)T) avec : Δt = tB - tA T = Δx/(c Δt) Δx = xB - xA Trois cas sont alors possibles : 1. Evénements se produisant au même endroit dans R ( Δx = 0 ) : Δt' = γ Δt > Δt vu que : γ > 1 2. Séparation de type espace ( |T| > 1 ) : Δt' peut être plus petit que Δt, voire de signe opposé 3. Séparation de type temps ( |T| < 1 ) : Δt' peut être plus petit que Δt. Dans les cas 2 et 3, la modification des durées (dilatation ou contraction) dépend de la relation spécifique entre la vitesse relative (v/c) et la séparation spatio-temporelle (T) des événements. En conclusion, la dilatation des durées n'est pas universelle. Elle est toujours vraie en Relativité Restreinte dans le cas d'une paire d'événements se produisant au même endroit, mais pourrait ne pas s'appliquer pour des paires arbitraires d'événements séparés par un intervalle de type temps. |
La dilatation du temps gravitationnel est un phénomème de relativité générale qui stipule que le temps s'écoule plus lentement en présence d'un champ gravitationnel.
Ainsi, une horloge située loin d'une masse importante (comme une planète ou une étoile) indiquera un temps plus long par rapport à une horloge située près d'une masse importante (dans un champ gravitationnel plus fort).
Ce phénomème a été prédit en 1915 par Albert Einstein.
J.C. Hafele & R.E. Keating ont réalisé en 1971 une expérience qui a consisté à embarquer quatre horloges atomiques au césium sur des avions de ligne pour un tour du monde (avec escales) et à comparer au retour le temps mesuré par ces horloges avec des horloges identiques restées au sol.
Il s'agit d'une réalisation du fameux paradoxe des jumeaux bis.
L'expérience a pleinement confirmé l'Effet Einstein de dilatation du temps gravitationnel (relativité générale) ainsi que la dilatation des durées pour les corps en mouvement (relativité restreinte) [GOU, Relativité Générale, pp 222, 269].
La divergence d'un champ de vecteurs rend compte de la variation infinitésimale du volume (ou de la charge électrique) autour d'un point. La divergence d'un Tenseur généralise cette notion.
La divergence d'un tenseur U d'ordre (n) est le tenseur Div(U) d'ordre (n - 1) obtenu en Contractant un des indices de la Dérivée covariante avec l'indice de dérivation.
Pour un tenseur deux fois contravariant, il y a deux divergences possibles : divergence à droite (composante Uij ;j) et divergence à gauche (composante Uij ;i). Les divergences ne sont égales que si le tenseur est Symétrique ou Antisymétrique.
Exemple : Le Tenseur d'Einstein modifié Sab est à divergence nulle (Sab;a = 0).
Propriétés :
Soit deux tenseurs U et V de même ordre. L'opérateur Div() étant linéaire, on a :
- Additivité : Div(U + V) = Div(U) + Div(V)
- Multiplication par un scalaire s : Div(s U) = s Div(U) + U.grad(s), le second terme ayant pour composantes : (U.grad(s))i...k = Ui...kl d(s)/d(xl)
L'espace dual E* d'un espace vectoriel E est l'espace des Formes linéaires coordonnées sur E.
E* est également un espace vectoriel et de même dimension (n) que E.
Si ej sont les vecteurs de base de E et ei les vecteurs de base de E*, alors on a les relations suivantes :
ei.ej = δij |
où δ est le Symbole de Kronecker
Démonstration : Soit ei(x) l'application linéaire qui fait correspondre au vecteur x sa composante xi en base {ej}, soit : ei(x) = xi Pour chaque i allant de 1 à n, ei(x) est donc une Forme linéaire sur E, appelée ième forme linéaire coordonnée relative à la base {ej}, ce qui s'écrit : ei(ej) = δij Théorème de représentation de Fréchet-Riesz : si ei est le vecteur qui représente la Forme linéaire ei(x) pour le Produit scalaire, alors on peut écrire pour tout x de E : ei.x = ei(x) D'où le résultat : ei.ej = ei(ej) = δij |
Tout vecteur x s'exprime donc dans chaque base comme suit :
x = xi ei
x = xi ei
où xi et xi sont respectivement les composantes Covariantes et contravariantes du vecteur x.
Démonstration des composantes covariantes : La première expression (x = xi ei) implique que : x.ej = (xi ei).ej = xi δij = xj qui est bien la définition des composantes covariantes xj du vecteur x. |
Interprétation géométrique (voir Figure ci-dessus) :
Le vecteur ei est orthogonal (par rapport au Produit scalaire) à tous les vecteurs ej d'indice j différent (ei.ej = 0) et possède un produit scalaire égal à 1 avec le vecteur ej de même indice (ei.ei = 1).
Propriétés :
ei = gij ej
ei = gij ej
où gij et gij sont respectivement les composantes directes et inverses du Tenseur métrique
Démonstration : Pour tout x, on peut écrire : ei.x = ei.(xj ej) = gij xj = gij ej(x) = gij ej.x D'où le premier résultat : ei = gij ej En multipliant les deux membres de cette relation par gki et en utilisant la relation gki gij = δkj, on obtient : gki ei = δkj ej = ek D'où le second résultat : ei = gij ej |
L'effet Doppler est le changement de fréquence d'un phénomène périodique induit par le mouvement de l'émetteur par rapport au récepteur. Dans le cas des ondes sonores par exemple, le son émis par une voiture qui s'approche est plus aigu que celui émis lorsqu'elle s'éloigne.
Prenons le cas général en Relativité Restreinte d'une onde lumineuse se propageant à la vitesse d'onde c.
Si f est la fréquence de l'onde perçue par un Observateur O d'un référentiel R, alors tout Observateur O' d'un référentiel R' en translation rectiligne uniforme de vitesse v par rapport à R percevra cette même onde à une fréquence f' différente de f. L'expression de f' est la suivante selon différents cas.
u est le vecteur unitaire de la propagation lumineuse MO (voir Figure dans Aberration).
γ est le Facteur de Lorentz
(D1) Effet Doppler longitudinal (u parallèle à v) :
f' = f γ (1 - (v.u)/c)
Lorsque v est petit devant c, on retrouve les formules approximatives non relativistes :
f' = f (1 - (vr.u)/c) pour des récepteur mobile (vitesse vr = v) et émetteur immobile par rapport au milieu de la propagation
f' = f / (1 - (ve.u)/c) pour des récepteur immobile et émetteur mobile (vitesse ve = -v) par rapport au milieu de la propagation
f' = f (1 - (vr.u)/c) / (1 - (ve.u)/c) pour des récepteur mobile (vitesse vr) et émetteur mobile (vitesse ve) par rapport au milieu de la propagation (vitesse relative vr - ve = v).
(D2) Effet Doppler transversal à l'émission (u perpendiculaire à v dans R) :
f' = f γ
(D3) Effet Doppler transversal à la réception (u perpendiculaire à v dans R') :
f' = f γ-1
(D4) Effet Doppler (formule générale) :
Si la propagation u de la lumière fait avec la vitesse v un angle θ dans R ou θ' dans R' (voir Figure dans Aberration), alors on a la relation :
f' = f γ (1 - cos[θ] v/c) = f γ-1 (1 + cos[θ'] v/c)-1 |
la relation entre les angles θ et θ' étant donnée par la formule d'Aberration.
Pour θ = θ' = 0° ou 180°, on retrouve la formule (D1) avec décalage vers le rouge ou vers le bleu selon que l'Observateur de R' s'éloigne ou se rapproche de la source lumineuse de R.
Pour θ = 90°, on retrouve la formule (D2) avec décalage vers le bleu.
Pour θ' = 90°, on retrouve la formule (D3) avec décalage vers le rouge.
Lorsque v est petit devant c, on retrouve la formule approximative non relativiste :
f' = f (1 - (vr.u)/c) / (1 - (ve.u)/c) pour des récepteur mobile (vitesse vr) et émetteur mobile (vitesse ve) par rapport au milieu de la propagation (vitesse relative vr - ve = v).
Démonstration partielle [ANN Electricité_2] : Effet Doppler longitudinal (voir Figure dans Transformation de Lorentz-Poincaré) : L'équation de l'onde lumineuse se propageant dans la direction Ox est la suivante pour l'Observateur lié à R : s(x, t)= s0 cos[ 2 π f (t - x/c) ] Pour l'Observateur lié à R', elle devient s(x', t') en utilisant la Transformation inverse de Lorentz-Poincaré : (L1') x = γ (x' + v t') (L2') t = γ (t' + B x') (L3) γ = 1 / (1 - v2 c-2)1/2 (L4) B = v c-2 D'où : s(x', t')= s0 cos[ 2 π f γ (t'(1 - v/c) + x'(B - 1/c)) ] La fréquence f' perçue est donc : f' = f γ (1 - v/c) L'Effet Doppler longitudinal est dit du premier ordre parce qu'il dépend de (1 - v/c). Il provoque une diminution de fréquence pour v > 0 (fuite de l'Observateur par rapport à l'onde) et une augmentation dans le cas contraire. Effet Doppler transversal à l'émission (voir Figure dans Transformation de Lorentz-Poincaré) : L'équation de l'onde lumineuse se propageant dans la direction Oy est la suivante pour l'Observateur lié à R : s(y, t)= s0 cos[ 2 π f (t - (y/c)) ] Pour l'Observateur lié à R', elle devient s(x', y', t') en utilisant la Transformation inverse de Lorentz-Poincaré : (L0') y = y' (L2') t = γ (t' + B x') D'où : s(x', y', t')= s0 cos[ 2 π f γ (t' + B x' - γ-1 (y'/c)) ] La fréquence f' perçue est donc : f' = f γ L'Effet Doppler transversal est dit du second ordre. |
La fréquence d'une source lumineuse produite dans un champ de gravitation est diminuée (donc décalée vers le rouge) quand elle est observée depuis un lieu où la gravitation est moindre. Il s'agit d'un pur effet de Relativité Générale et non d'un décalage par Effet Doppler.
Ce phénomène, prédit en 1915 par Albert Einstein, a été observé en 1960 par Pound & Rebka.
En utilisant la Métrique de Schwarzschild centrée sur un corps massif (masse M) à symétrie sphérique, et dans le cas particulier d'une Constante cosmologique nulle et d'un champ de gravitation dans le vide, la fréquence observée f' à la distance radiale r' est fonction de la fréquence produite f à la distance radiale r selon la loi :
f' = f ( (1 - r*/r)/(1 - r*/r') )1/2 |
où r* est le rayon gravitationnel (r* = 2 G M c-2).
Lorsque l'Observateur est situé en un lieu de gravitation moindre que le lieu de la source (r' > r), on trouve (f' < f) correspondant à l'observation d'un décalage vers le rouge.
L'effet Einstein a un impact dans la vie quotidienne : si on n'en tenait pas compte dans le champ gravitationnel de la Terre, le système de positionnement GPS serait complètement inopérant !
L'effet Shapiro se manifeste par un retard de tout signal électromagnétique (dont la lumière) à proximité d'un champ gravitationnel, par rapport au temps de propagation que ce signal aurait dans un espace-temps plat.
Ce phénomène a été prédit en 1964 par Irwin Shapiro et détecté en 1966 et 1967 par l'antenne radar Haystack du MIT (Massachussets Institute of Technology).
Un indice inférieur peut être changé en un indice supérieur par multiplication avec le Tenseur métrique inverse gij puis Contraction des indices. Exemples :
Uik = gij Ujk
Uik = gil gkm Ulm
Attention : Si on garde la même lettre pour le tenseur résultat (après suppression des indices identiques), alors la notation peut devenir ambigüe (voir Contraction des indices).
L'énergie E et le vecteur impulsion P d'une particule M, mesurés par un Observateur O dans son Référentiel local à un instant τ, sont donnés par les relations suivantes (voir Figure ci-dessus) [GOU, Relativité Restreinte, p.275 à 278] :
E = -c p.u0 = γ m c2 A P = p - (E/c) u0 = γ m B A = 1 + a0.OM B = v + ω xu0 OM |
L, p et m sont les Ligne d'univers, Quadri-impulsion et masse au repos (masse propre) de la particule
L0, u0 et a0 sont les Ligne d'univers, Quadri-vitesse et Quadri-accélération de l'Observateur.
γ est le Facteur de Lorentz
ω est la Quadri-rotation de l'Observateur O.
v est la vitesse du point M relative à l'Observateur O dans son Espace local de repos Eu0.
"xu0" est l'opérateur Produit vectoriel entre deux vecteurs quelconques de Eu0, ce qui s'écrit : ω xu0 OM = Ε(u0, ω, OM, .)
où :
Ε est le Tenseur de Levi-Civita
Ε(u0, ω, OM, .) désigne le vecteur qui représente la Forme linéaire Ε(u0, ω, OM, z) pour le Produit scalaire g.
Le vecteur impulsion P (de dimension kg.m.s-1) est la projection orthogonale du vecteur p sur Eu0 (avec P.u0 = 0).
L'énergie E (de dimension J ou kg.m2.s-2) vérifie la relation d'Einstein : E2 = m2 c4 + P.P c2 qui se simplifie en : E = ||P|| c pour une particule de masse nulle (cas du photon par exemple).
Démonstration : p.p = (E/c)2 u0.u0 + 2 (E/c) P.u0 + P.P = -(E/c)2 + 0 + P.P Par ailleurs, on a : p.p = -m2 c2 D'où le résultat : E2 = m2 c4 + P.P c2 |
Lorsque L croise L0 au temps propre τ0 (OM = 0) ou lorsque O est un Observateur inertiel (a0 = ω = 0), ces relations se simplifient en :
E = γ m c2 P = γ m v γ = ( 1 - c-2 v.v )-1/2 |
La première relation exprime l'équivalence entre masse et énergie. Elle a été établie en 1905 par Einstein [EIN Ist die Trägheit], quelques mois après son article fondateur sur le Relativité Restreinte.
Cette relation peut s'écrire : E = Emass + Ecin, où Emass est l'énergie de masse (Emass = m c2) et Ecin l'énergie cinétique de la particule (Ecin = (γ - 1) m c2).
En limite non relativiste (||v|| << c) avec développement limité de γ, on retrouve que : Ecin = (1/2) m v.v et que : P = m v
L'équivalence masse-énergie a été confirmée indirectement dans les années 1930-1940 par de nombreuses expériences en physique nucléaire et des particules, puis confirmée en 2008 par l'équipe internationale du Centre de Physique Théorique de Marseille en montrant que la masse du proton provient de l'énergie des quarks et des gluons.
L'équation de Poisson a été établie par le mathématicien et physicien français Siméon Denis Poisson.
En gravitation universelle Newtonienne, le potentiel gravitationnel (non relativiste) ψ est relié à la masse volumique ρ par l'équation de Poisson :
Δψ = 4 π G ρ |
où Δ est l'opérateur Laplacien (voir Convention de dérivée partielle).
et G est la constante de gravitation universelle (G = 6,6726 10-11 kg-1.m3.s-2).
ψ est de dimension m2.s-2
Démonstration : Si g est le champ de gravitation produit en un point O de masse m par une source sphérique S de masse M située à la distance r de O (voir Figure ci-dessus), on a les relations suivantes : F = m g g = -u G M / r2 g = -grad(ψ) ψ = -G M / r F = force de gravitation exercée en O u = vecteur unitaire de la ligne SO Le champ g est par ailleurs caractérisé par les deux lois : div(g) = -4 π G ρ rot(g) = -rot(grad(ψ)) = 0 de façon analogue au champ électrique E par rapport au potentiel électrique V en l'absence de champ magnétique B : div(E) = ρ_charge / ε0 rot(E) = 0 La première loi (div(g) = -4 π G ρ) résulte du Théorème de Gauss associé au Théorème de divergence : Théorème de Gauss : pour toute surface S fermée, de volume V et de normale sortante n, on a : ∑S[ g.n dS ] = -4 π G M = ∑V[ -4 π G ρ dV ] Théorème de divergence : ∑S[ g.n dS ] = ∑V[ div(g) dV ] D'où le résultat (équation de Poisson) : 4 π G ρ = -div(g) = -div(-grad(ψ)) = Δψ |
Voir Résolution de l'équation d'Einstein avec la Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker
Electromagnétisme non relativiste :
Toute particule de charge q et de vitesse v, soumise à un champ électrique E et à un champ magnétique B, subit la force de Lorentz F_LORENTZ = q (E + v x B)
Les équations de James Clerk Maxwell précisent alors l'évolution des champs électromagnétiques E et B. Dans le vide en présence de sources (charges électriques ponctuelles et/ou leurs courants électriques), ces champs s'écrivent :
(R1) div(E) = ρ/ε0 (R2) rot(E) = -dB/dt (R3) div(B) = 0 (R4) rot(B / μ0) = J + ε0 dE/dt |
Les deux densités ρ et J sont reliées par la relation de la conservation des charges (voir démonstration ci-dessous) :
(R5) div(J) + dρ/dt = 0
E est le champ électrique (en m-1.V ou C-1.N ou kg.m.s-3.A-1)
B est le champ magnétique (en T ou kg.s-2.A-1)
J est la Densité de courant électrique (en m-2.A)
v est la vitesse de la particule (en m.s-1)
q est la charge électrique (en C ou s.A)
ρ est la Densité de charge électrique (en m-3.s.A)
μ0 est la perméabilité du vide : μ0 = 4 π 10-7 kg.m.A-2.s-2
ε0 est la permittivité diélectrique dans le vide telle que :
(R0) ε0 = 1 / (μ0 c2)
c est la vitesse de la lumière dans le vide (c = 2,99792458 108 m.s-1)
Les opérateurs utilisés sont les suivants :
v1.v2 et v1 x v2 : Produit scalaire et Produit vectoriel de deux vecteurs quelconques v1 et v2.
div(v) et rot(v) : divergence et rotationnel du vecteur quelconque v (voir Convention de dérivée partielle).
Δ : opérateur Laplacien (voir Convention de dérivée partielle).
◊ : opérateur d'Alembertien (voir Convention de dérivée partielle).
Electromagnétisme relativiste :
En relativité Restreinte (Métrique de Minkowski), on démontre que (cf [HER, Etude, pp. 24, 25][GOU, Relativité Restreinte, pp 585, 507]) : Les deux relations (R2) et (R3) sont équivalentes à la relation tensorielle suivante : (RR1) Fkl,m + Flm,k + Fmk,l = 0 Les deux relations (R1) et (R4) sont équivalentes à la relation tensorielle suivante : (RR2) Fkl,l = jk/ε0 avec : Fij = Tenseur électromagnétique j = Quadri-courant électrique En relativité Générale, il suffit de remplacer les Dérivées partielles par des Dérivées covariantes pour étendre la validité de ces relations à la Relativité générale, ce qui donne (cf [BARRAU, Relativité générale, p.64][HER, Etude, pp. 24, 25][GOU, Relativité Restreinte, pp 585, 507]) : (RG1) Fkl;m + Flm;k + Fmk;l = 0 (RG2) Fkl;l = (-g)-1/2 ((-g)1/2 Fkl),l = jk/ε0 avec : g = Déterminant de la matrice gij associée au Tenseur métrique g |
Potentiels électrique et magnétique :
A partir des relations (R2) et (R3), on définit le Potentiel électrique V et le Potentiel magnétique A par les relations suivantes (voir démonstration ci-dessous) :
(R6) rot(A) = B
(R7) -grad(V) = E + d/dt(A)
Si A vérifie la relation (R6), alors tout potentiel A' = A + grad(Ψ) vérifie également (R6). Le potentiel magnétique A est donc déterminé au gradient d'un champ scalaire Ψ près.
De même, si deux potentiels électriques V et V' vérifient la relation (R7), alors on peut écrire :
-grad(V' - V) = d/dt(A' - A)
On en déduit :
grad(V' - V + d/dt(Ψ)) = 0
V' = V - d/dt(Ψ) + f(t)
Le potentiel électrique V est donc déterminé à une fonction du temps f(t) près.
Condition de jauge de Lorenz :
En reportant les relations (R6) et (R7) dans les relations (R1) et (R4), on trouve :
(Δ - c-2 d2/dt2)(V) = -ρ/ε0 - d/dt(C)
(Δ - c-2 d2/dt2)(A) = -μ0 J + grad(C)
C = div(A) + c-2 d/dt(V)
Le potentiel A étant déterminé au gradient d'un champ scalaire Ψ près, on peut poser arbitrairement :
(R8) C = 0
Cette relation est appelée condition de jauge de Lorenz (du physicien danois Ludvig Valentin Lorenz, à ne pas confondre avec le physicien hollandais Hendrik A. Lorentz), ce qui donne finalement :
(R9) ◊(V) = -ρ/ε0
(R10) ◊(A) = -μ0 J
Les trois relations (R8), (R9) et (R10) constituent un groupe d'équations qui contiennent les mêmes informations que les équations de Maxwell.
Ces relations sont invariantes par Transformation de Lorentz-Poincaré (voir démonstration ci-dessous). Il en est donc de même pour les équations de Maxwell.
Résolution des équations :
Dans le vide et sans aucune source (ρ = 0 et J = 0), les relations (R9) et (R10) montrent que le champ électromagnétique obéit à deux équations de d'Alembert appelées équations d'onde.
Dans le cas général d'une distribution de sources P localisée dans un domaine D porteur de charges et de courants électriques, ou dont la densité décroît suffisamment rapidement avec la distance, les solutions des équations (R9) et (R10), avec les conditions supplémentaires V(∞) = 0 et A(∞) = 0, sont les suivantes :
(R11) V(M, t) = ∑D[ (1/ε0) (4 π/||PM||) ρ(P, t - ||PM||/c) dτ ]
(R12) A(M, t) = ∑D[ μ0 (4 π/||PM||) J(P, t - ||PM||/c) dτ ]
Ces solutions sont appelées potentiels retardés car les valeurs des potentiels en un point M à un instant t dépendent de celles des sources en tous les points P à l'instant antérieur (t - ||PM||/c).
Démonstrations :
Démonstration de la relation de la conservation des charges : En prenant la divergence de la relation (R4), on obtient : 0 = div(J) + ε0 div(dE/dt) = div(J) + ε0 d/dt(div(E)) En reportant la relation (R1) dans cette relation, on trouve : (R5) div(J) + dρ/dt = 0 |
Démonstration des potentiels électrique et magnétique : La relation (R3) permet de poser : (R6) rot(A) = B où A est un potentiel magnétique (vecteur non unique). En reportant cette relation dans (R2), on trouve : rot(E + d/dt(A)) = 0 Il existe donc un potentiel électrique V (scalaire non unique) tel que : (R7) -grad(V) = E + d/dt(A) |
Démonstration de l'invariance des équations de Maxwell par la Transformation de Lorentz-Poincaré : On se place dans le cas simplifié où l'axe x' du référentiel R' est parallèle à l'axe x du référentiel R (voir Transformation de Lorentz-Poincaré). Les relations (L1) et (L2) donnent par dérivation partielle : d/dx = (d/dx')(dx'/dx) + (d/dt')(dt'/dx) = γ ((d/dx') - (d/dt') β c-1) d/dy = (d/dy') d/dz = (d/dz') d/dt = (d/dx')(dx'/dt) + (d/dt')(dt'/dt) = γ ((d/dt') - (d/dx') β c) Les potentiels A et V dérivant du Quadri-potentiel électromagnétique A*, les relations (L1) à (L4) induisent : A'x = γ (Ax - β c-1 V) A'y = Ay A'z = Az V' = γ (V - Ax β c) Les densités J et ρ dérivant du Quadri-courant électrique j, les relations (L1) à (L4) induisent : J'x = γ (Jx - β c ρ) J'y = Jy J'z = Jz ρ' = γ (ρ - Jx β c-1) Le d'Alembertien ◊ étant invariant par Transformation de Lorentz-Poincaré (voir Convention de dérivée partielle), on peut écrire : ◊' = ◊ En reportant toutes ces expressions dans les relations (R8), (R9) et (R10), on trouve : Condition de jauge de Lorenz (R8) : : 0 = div(A) + c-2 d/dt(V) = d/dx(Ax) + d/dy(Ay) + d/dz(Az) + c-2 d/dt(V) = γ ((d/dx') - (d/dt') β c-1) Ax + d/dy'(A'y) + d/dz'(A'z) + c-2 γ ((d/dt') - (d/dx') β c)(V) = d/dx'(A'x) + c-2 d/dt'(V') + d/dy'(A'y) + d/dz'(A'z) = div(A') + c-2 d/dt' (V') La relation (R8) est donc invariante. Potentiel électrique (R9) : 0 = ◊'(V') + ρ'/ε0 = γ ◊(V - Ax β c) + γ (ρ - Jx β c-1)/ε0 = - γ β c ( ◊(Ax) + Jx c-2/ε0 ) + γ ( ◊(V) + ρ/ε0 ) Compte tenu des relations (R0) et (R10), on trouve : 0 = ◊'(V') + ρ'/ε0 = ◊(V) + ρ/ε0 La relation (R9) est donc invariante. Potentiel magnétique (R10) : 0 = ◊'(A'y) + μ0 J'y = ◊(Ay) + μ0 Jy 0 = ◊'(A'z) + μ0 J'z = ◊(Az) + μ0 Jz 0 = ◊'(A'x) + μ0 J'x = γ ◊(Ax - β c-1 V) + μ0 γ (Jx - β c ρ) = γ ( ◊(Ax) + μ0 Jx ) - γ β c-1 ( ◊(V) + μ0 c2 ρ ) Compte tenu des relations (R0) et (R9), on trouve : 0 = ◊'(A'x) + μ0 J'x = ◊(Ax) + μ0 Jx La relation (R10) est donc invariante. Les équations de Maxwell qui dérivent de (R8), (R9) et (R10) sont donc invariantes par Transformation de Lorentz-Poincaré. |
L'espace-temps est un espace à quatre dimensions où le temps n'est plus une grandeur séparée, indépendante de l'espace, mais une variable jouant le même rôle que les variables spatiales. La notion de Simultanéité n'est plus universelle.
Définition [GOU, Relativité Restreinte, p.24] :
L'espace-temps (appelé espace-temps de Minkowski) est défini par l'ensemble des quatre objets mathématiques suivants :
- Espace affine réel de dimension 4, associé à un espace vectoriel E orienté (selon que la base est directe ou indirecte)
- Produit scalaire de Signature (-, +, +, +), associé au Tenseur métrique g
- Cône de lumière avec ses deux flèches du temps (nappe du passé et nappe du futur)
- Tenseur de Levi-Civita Ε associé à la métrique g
Quadri-vecteur et coordonnées :
Dans cet espace-temps d'origine O fixée, un point ou événement x(x, y, z, t) est repéré par un vecteur x à quatre dimensions appelé quadri-vecteur ou 4-vecteur dont les composantes sont notées :
- En coordonnées cartésiennes : x0 = ct ; x1 = x ; x2 = y ; x3 = z - En coordonnées sphériques (r > 0, colatitude θ = [0, π], longitude φ = [0, 2 π]) : x0 = ct ; x1 = r ; x2 = θ ; x3 = φ |
Les coordonnées sphériques sont définies à partir des coordonnées cartésiennes selon les relations suivantes (voir Figure ci-dessus) [GOU, Relativité Générale, p.20] :
x = r sin[θ] cos[φ] y = r sin[θ] sin[φ] z = r cos[θ] |
D'un point de vue géométrique, r donne l'aire (A = 4 π r2) des sphères d'invariance liées à la symétrie sphérique (sphères avec t = constante et r = constante). La coordonnée r est parfois appelée rayon aréolaire [GOU, Relativité Générale, p.59].
Sens physique :
Les coordonnées ct, x, y, z, r, θ et φ n'ont pas de sens physique (mesurable directement) [GOU, Relativité Générale, p.59] [GOU, Relativité Restreinte, p.430] [EIS Lumière, p.7]. Elles ne sont qu'un moyen formel d'étiqueter les points de l'espace-temps.
Seules les conclusions, accessibles par l'élimination des coordonnées, peuvent prétendre à une signification objective.
Seul le Temps propre a un sens physique en Relativité Restreinte et Générale, et les distances se mesurent en temps propre sur des trajectoires Géodésiques [EIS Lumière, pp 7-8].
Espace-temps plat :
L'espace-temps n'est plat (Tenseur de courbure identiquement nul) que s'il s'agit de l'espace-temps de Minkowski [GOU, Relativité générale, p.200].
Soit un Observateur O de Ligne d'univers L et de Quadri-vitesse u (voir Figure ci-dessus).
Son espace local de repos est l'hyperplan vectoriel Eu orthogonal à u.
Soit un Observateur O de Ligne d'univers L0 et de Quadri-vitesse u0 (voir Figure ci-dessus).
Soit une particule M de Ligne d'univers L et de Quadri-vitesse u.
On suppose que L est située au voisinage de L0, au sens où L peut être décrite dans le Référentiel local de O, ce qui signifie que la distance spatiale entre L0 et L est toujours bien inférieure à ||a0||-1, où a0 est la Quadri-accélération de O.
Soit un incrément infinitésimal dτ0 du Temps propre τ0 de O et dτ le Temps propre de la particule écoulé lorsqu'elle passe de M(τ0) à M(τ0 + dτ0) le long de sa ligne d'univers.
Le Facteur de Lorentz γ de la particule M par rapport à l'Observateur O est défini par la relation suivante [GOU, Relativité Restreinte, p.99 à 109] :
dτ0 = γ dτ |
On démontre alors les relations suivantes :
γ = -u0.u / A = ( A2 - c-2 B.B )-1/2 u = γ ( A u0 + c-1 B ) A = 1 + a0.OM B = v + ω xu0 OM |
ω est la Quadri-rotation de l'Observateur O.
v est la vitesse du point M relative à l'Observateur O dans son Espace local de repos Eu0.
"xu0" est l'opérateur Produit vectoriel entre deux vecteurs quelconques de Eu0, ce qui s'écrit : ω xu0 OM = Ε(u0, ω, OM, .)
où :
Ε est le Tenseur de Levi-Civita
Ε(u0, ω, OM, .) désigne le vecteur qui représente la Forme linéaire Ε(u0, ω, OM, z) pour le Produit scalaire g.
Lorsque L croise L0 au temps propre τ0 (OM = 0) ou lorsque O est un Observateur inertiel (a0 = ω = 0), ces relations se simplifient en :
γ = -u0.u = ( 1 - c-2 v.v )-1/2 u = γ ( u0 + c-1 v ) |
Lorsque L croise L0 au temps propre τ0 (OM = 0) ou lorsque la Quadri-accélération a0 de O est nulle (en particulier si O est un Observateur inertiel (a0 = ω = 0)), alors on démontre que : γ ≥ 1. Etant donné la définition de γ comme rapport de deux durées propres, cette propriété est appelée Dilatation des durées.
Figures ci-dessus de gauche à droite : René Maurice Fréchet et Frigyes Riesz
Toute forme linéaire ω est une application qui, à tout vecteur u, fait correspondre un nombre ω(u), et ceci de manière linéaire [GOU, Relativité Restreinte, p.21] :
Pour tout scalaire λ et tous vecteurs u et v : ω(λ u + v) = λ ω(u) + ω(v) |
ω(u) est parfois noté <ω, u> avec la notation bra-ket comme en mécanique quantique.
Exemples : si a et b sont des vecteurs d'un espace vectoriel E, les applications linéaires qui, au vecteur u, font correspondre respectivement les scalaires u.a et det(u, a, b) sont toutes deux des formes linéaires.
Propriétés :
- Il existe un unique vecteur w qui représente la Forme linéaire ω de l'espace Dual (E*) pour le Produit scalaire.
- Le vecteur w vérifie la relation : w.z = ω(z) pour tout vecteur z
- Dans toute base {ei} de E, ses composantes Covariantes s'écrivent : wi = w.ei = ω(ei) et ses composantes contravariantes s'écrivent : wi = gij wj = gij ω(ej) = ω(gij ej) = ω(ei)
- Notation [GOU, Relativité Restreinte, p.87, 538] : Le vecteur w se note parfois : w = ω(.)
Démonstration : Soit E un espace vectoriel muni de son Produit scalaire et ω une forme linéaire continue sur E. Alors il existe un unique vecteur w de E tel que l'on ait la relation : w.z = ω(z) pour tout vecteur z de E (théorème de représentation de Fréchet-Riesz). |
Un vecteur quelconque v de l'Espace-temps est dit :
- du Genre temps lorsque le Produit scalaire v.v < 0. C'est le cas du vecteur tangent à la trajectoire d'une particule de masse non nulle. Deux événements de l'Espace-temps peuvent être reliés par une information allant à une vitesse inférieure à celle de la lumière.
- du Genre lumière (ou vecteur lumière ou vecteur isotrope) lorsque le Produit scalaire v.v = 0 avec v ≠ 0. C'est le cas du vecteur tangent à la trajectoire d'une particule de masse nulle (photon par exemple). Deux événements de l'Espace-temps peuvent être reliés par une information allant à la vitesse de la lumière.
- du Genre espace lorsque le Produit scalaire v.v > 0. C'est le cas du vecteur ni Genre temps ni Genre lumière. Deux événements de l'Espace-temps ne peuvent pas être reliés par une information allant à la vitesse de la lumière.
Par définition, les vecteurs du Genre temps, lumière et espace sont situés respectivement à l'intérieur, sur la surface et à l'extérieur du Cône de lumière.
Pour une Métrique relativiste donnée, une géodésique est la courbe (ou trajectoire) de plus courte distance entre deux points donnés.
Les géodésiques décrivent donc le mouvement des particules libres (systèmes matériels ou photons), c'est-à-dire lorsqu'elles ne sont pas soumises à une force externe autre que la gravitation dans le cadre de la Relativité Générale.
John Archibald Wheeler, spécialiste américain de la Relativité Générale, dit : "La matière dit à l'espace-temps de se courber et l'espace-temps dit à la matière comment se déplacer".
Si l'on choisit de paramétrer la trajectoire par le Temps propre τ satisfaisant à : ds2 = -c2 dτ2, les équations tensorielles des géodésiques s'écrivent comme suit [GOU, Relativité Générale, p.48] :
(d2xi / dτ2) + Γilk (dxk/dτ) (dxl/dτ) = 0 où Γijk sont les symboles de Christoffel. |
Si le Tenseur métrique g est connu (et donc Γ), cette équation constitue un système de 4 équations différentielles du second ordre pour les 4 fonctions xi. D'après le théorème de Cauchy, ce système admet une solution unique si on se fixe les conditions initiales suivantes :
xi(0) = quatre constantes arbitraires
(dxi/dτ)(0) = ui0
ui0 étant quatre constantes vérifiant : gij ui0 uj0 = -c2
En Relativité Restreinte (Métrique de Minkowski) avec coordonnées cartésiennes, les coefficients gij sont tous constants, ce qui annule tous les symboles de Christoffel. Les équations des géodésiques se réduisent alors à : d2xi / dτ2 = 0 dont les solutions sont les lignes droites ordinaires : xi(τ) = ai(τ) τ + bi
Trajectoire :
La trajectoire d'un corps matériel dans un champ gravitationnel à symétrie sphérique (Métrique de Schwarzschild) est une Géodésique de Genre temps [GOU, Relativité Générale, p.71].
On suppose que la masse m du corps matériel est petite devant la masse M du corps central de la métrique de Schwarzschild et que l'Observateur est placé dans le plan équatorial z = 0 du corps central (θ = π/2, voir Figure dans Espace-temps).
La trajectoire du corps matériel est plane et donnée par l'équation différentielle suivante [GOU, Relativité Générale, pp80, 74, 72, 63, 64] :
dφ/dr = ±(1/r)2 (l/c) ( (ε/c2)2 - (1 + (1/r)2(l/c)2) (1 - r*/r) )-1/2 |
avec :
r* = rayon de Schwarzschild (r* = 2 G M c-2)
M = masse du corps central
ε (en m2.s-2) = c2 (1 - r*/r) dt/dτ = -c2 ut.u = -c2 g00 u0
l (en m2.s-1) = r2 sin2[θ] dφ/dτ = c uφ.u = c g33 u3
lcrit = 31/2 r* c
u = Quadri-vitesse du corps matériel
ut et uφ = vecteurs de la Base naturelle associés respectivement à la stationnarité et à la symétrie azimuthale de la métrique
τ = Temps propre du corps matériel.
A noter que les deux quantités ε et l sont constantes le long de la Géodésique.
En Limite Newtonienne (lorsque le corps matériel est infiniment éloigné du corps central), on peut interpréter ε et l comme suit :
ε = c2 + E0/m = énergie par unité de masse du corps matériel, mesurée par un Observateur statique.
l = moment cinétique (par rapport à l'axe z) par unité de masse du corps matériel, mesuré par un Observateur statique.
E0 = énergie mécanique du corps matériel (somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle gravitationnelle).
Selon les valeurs couplées de l et ε, la trajectoire du corps matériel est alors la suivante [DEV, Un peu de physique, Trajectoire d'une particule] :
Dans le cas où : |l| < lcrit, le corps matériel est attiré irrémédiablement par le corps central.
Dans le cas où : |l| > lcrit, le corps matériel évite le corps central en continuant sa course ou, au contraire, se met en orbite autour.
Dans le cas d'une orbite, la trajectoire peut être un cercle parfait ou une quasi-ellipse avec avance du périastre (voir Figure ci-dessus). A la Limite Newtonienne, la trajectoire est une ellipse stable qui vérifie les lois de Kepler.
Démonstration de l'ellipse stable : La limite Newtonienne consiste à faire : E0/m << c2 et r*/r << 1. En posant u = 1/r, l'équation de la trajectoire devient : dφ/dr = ± l ( (2 E0/m + r* c2 u - l2u2 )-1/2 qui s'intègre en : u = (1 + e cos[φ])/p avec : p = l2/(G M) e = (1 + 2 (E0/m) l2/(G M)2)1/2 On reconnaît l'équation polaire de l'ellipse keplerienne de paramètre p et d'excentricité e |
Périaste :
Le périastre est le point de la trajectoire la plus proche du corps central (voir Figure ci-dessus).
L'avance δφper du périastre (au premier ordre en r*/r) est la suivante [GOU, Relativité Générale, p.82] :
δφper = 3 π r* / ( a (1 - e2) ) |
avec :
a = demi-grand axe de l'ellipse
e = excentricité de l'ellipse
Dans le cas de l'avance du périastre autour du Soleil (périhélie) de la planète Mercure (avec M_Soleil = 1,9891 1030 kg, a_Mercure = 5,79 1010 m, e_Mercure = 0,206), on trouve : δφper = 5,0 10-7rad. La période orbitale de Mercure étant de 88 jours, l'effet cumulé au bout d'un siècle est : Δφper = 43"
Cette avance a été observée dès 1859 par Urbain le Verrier et expliquée en 1915 par Albert Einstein [EIN Die_Grundlage].
Figures ci-dessus de gauche à droite : Figure 1 = Déviation des rayons lumineux pour b grand ; Figures 2 à 4 issues de [DEV Un peu de Physique - Trajectoire d'un rayon lumineux] = Déviation des rayons lumineux selon la valeur de b
Trajectoire :
La trajectoire d'un photon dans un champ gravitationnel à symétrie sphérique (Métrique de Schwarzschild) est une Géodésique de Genre lumière [GOU, Relativité Générale, p.82].
On suppose que l'Observateur est placé dans le plan équatorial z = 0 du corps central de la métrique (colatitude θ = π/2, voir Figure dans Espace-temps).
La trajectoire du photon est plane et donnée par l'équation différentielle suivante [GOU, Relativité Générale, p.85, 86] :
dφ/dr = ±(1/r)2 ( (1/b)2 - (1/r)2 (1 - r*/r) )-1/2 |
avec :
r* = rayon de Schwarzschild (r* = 2 G M c-2)
M = masse du corps central
b = paramètre d'impact pour les photons arrivant depuis l'infini (voir Figure 1 ci-dessus)
bcrit = (3/2) 31/2 r*
Dans le cas où : b > bcrit, les photons en provenance de l'infini vont s'approcher du corps central et repartir vers l'infini. La trajectoire ressemble à une hyperbole pour les grandes valeurs de b (voir Figure 1 ci-dessus) et peut faire plusieurs fois le tour du corps central avant de repartir pour les valeurs de b proches de bcrit (voir Figure 2 ci-dessus).
Dans le cas où : b ≤ bcrit, les photons sont piégés par le corps central et un Observateur distant ne pourra pas les recevoir (voir Figures 3 et 4 ci-dessus).
Cette équation différentielle s'intègre sous la forme suivante, qui se résoud sous forme d'une intégrale elliptique [DEV Un peu de physique - Trajectoire d'un rayon lumineux].
φ = (r*)-1/2 Integrale_de_0_à_u[du / F(u)1/2] u = 1/r F(u) = u3 - (r*)-1 u2 + (r*)-1 b-2 |
Périaste :
Le périastre est le point de la trajectoire la plus proche du corps central (voir Figure 1 ci-dessus).
Son rayon rper est donné par l'équation suivante [GOU, Relativité Générale, p.86] :
P(rper) = rper3 + 3 p rper + 2 q = 0 p = -(1/3) b2 q = (1/2) r* b2 |
Cette équation du troisième degré se résoud comme suit :
- Pour b ≥ bcrit : rper = (2 / 31/2) b cos[(π - α)/3] avec : α = cos-1[bcrit / b]. A noter que pour b >> bcrit, on a : α = π/2 et on retrouve : rper = b correspondant à aucune déviation du photon loin du corps central. - Pour b < bcrit : il n'y a pas de périaste vérifiant la relation : dr/dφ = 0 |
Démonstration : Soit Q = p3 + q2 = (1 / 27) b4 (bcrit2 - b2) L'étude de la fonction P(rper) montre que : - Pour b > bcrit : il y a trois racines réelles dont une négative. La plus grande racine positive correspond au périaste rper qui est atteint continuement depuis un photon arrivant de l'infini. Compte tenu des conditions particulières : p < 0 et Q < 0, l'équation du troisième degré se résoud classiquement sous forme trigonométrique [CHO Mathématiques] et donne pour plus grande racine : rper = 2 (-p)1/2 cos[(π - α)/3] avec α = cos-1[q / (-p)3/2]. Voir Figure 2 ci-dessus. - Pour b = bcrit : il y a une racine double positive (-q/p) correspondant au périaste rper et une racine simple négative (2 q/p). La trajectoire tangente le cercle de rayon égal à bcrit / 31/2. Voir Figure 3 ci-dessus. - Pour b < bcrit : il y a une seule racine réelle qui est négative. Il n'y a donc pas de périaste rper vérifiant la relation : dr/dφ = 0. La trajectoire converge vers le corps central. Voir Figure 4 ci-dessus. |
Déviation :
Dans le cas : b >> bcrit et au premier ordre en r*/b, la déviation δφ du rayon lumineux par rapport à un trajet en ligne droite (voir Figure 1 ci-dessus) est alors la suivante [GOU, Relativité Générale, p.86, 87] :
δφ = 2 (r*/b) |
Dans le cas d'une trajectoire rasant la surface du Soleil (b = R_Soleil = 6,96342 108 m, avec M_Soleil = 1,9891 1030 kg), on trouve : r* = 3,0 103 m et δφ = 1,75"
Cette déviation, prédite en 1915 par Albert Einstein, a été mise en évidence par Arthur Eddington et son équipe, en mesurant la position des étoiles au voisinage du disque solaire lors de l'éclipse de 1919. C'est cet événement qui a rendu Einstein célèbre auprès du grand public.
La déviation des rayons lumineux est à l'origine du phénomène de Mirage gravitationnel.
Rayon apparent :
Pour un Observateur situé à l'infini, le rayon apparent Ra d'une étoile de rayon R et celui d'un Trou noir de rayon r* (considéré comme délimitant sa "surface") valent alors [GOU, Relativité Générale, p.299, 300] :
Pour une étoile : Ra = R (1 - (r*/R))-1/2 Pour un Trou noir : Ra = bcrit = (3/2) 31/2 r* |
L'étoile apparaît donc toujours plus grosse qu'elle n'est (Ra > R).
Pour un Trou noir, les photons de faible paramètre d'impact (b < bcrit) sont piégés par le Trou noir et l'Observateur ne reçoit aucun photon. Il observe donc sur le fond du ciel un disque noir de rayon apparent presque trois fois plus gros qu'il n'est (Ra = 2,60 r*).
Le Système GPS (Global Positionning System), connu initialement sour le nom NAVSTAR (NAVigation System by Timing And Ranging), est un système de positionnement dans les trois dimensions (latitude, longitude, altitude), très précis et à couverture mondiale, mis en service dans les années 1970-1980 par le Département de la Défense des Etats-Unis (DoD).
Le GPS est relatif au système géodésique mondial WGS84 (voir Meteo - Annexe 2).
En 2024, en service standard (gratuit), le GPS fournit une précision de 3 à 5 m en horizontal et de 5 à 8 m en vertical.
L'homologue européen du GPS est le système GALILEO, opérationnel depuis 2016.
GALILEO est relatif au système géodésique européen GTRF qui est compatible avec le WGS84 à moins de 1 m près.
En 2024, en service standard (gratuit), GALILEO fournit une précision de 1 m en horizontal et de 2 m en vertical. Le service de haute précision (HAS), également gratuit, accessible seulement aux récepteurs haut de gamme, fournit une précision de 20 cm en horizontal et de 40 cm en vertical.
Détail du GPS (cf [GOU, Relativité Générale, p. 203-205]) :
Le GPS est basé sur un ensemble d'au moins 24 satellites répartis 4 par 4 sur 6 orbites circulaires de période orbitale T = 12 h et de rayon rsat = 26561 km = 4.16 RTerre (avec RTerre = 6378 km et MTerre = 5.97 1024 kg). Voir Figure ci-dessus.
Chaque satellite (i) transporte une horloge atomique au césium et émet un signal radio comprenant sa date d'émission (ti) et ses trois coordonnées spatiales ri (déduites des éphémérides liées à son orbite).
Tout Observateur sur Terre qui reçoit au même instant (t) les signaux d'au moins quatre satellites peut alors calculer sa position r. Si l'Espace-temps était plat (Métrique de Minkowski), l'observateur devrait simplement résoudre le système de 4 équations : ||r - ri|| = c (t - ti). Mais dans la réalité, il faut considérer impérativement trois types de décalage temporel :
1. Imprécision des horloges atomiques au césium :
Pour avoir une précision de un mètre sur la position r, il faut une précision sur les dates ti de l'ordre de 3 ns (dt = 1 m / c). La stabilité des horloges atomiques au césium est telle que : dt/t = 10-13. On atteint ainsi dt = 3 ns en t = 10 h environ. Pour atteindre la précision requise, les horloges sont alors réglées plusieurs fois par jour grâce à des signaux envoyés depuis le sol.
2. Dilatation des durées :
Cette dilatation des durées constitue l'Effet Doppler transverse (du second ordre). L'effet Doppler du premier ordre en v/c n'affecte que la fréquence du signal et non pas le contenu du message délivré (date et position de l'émetteur).
Les satellites étant en mouvement par rapport à l'observateur, leur vitesse orbitale vaut : v = (G MTerre / rsat)1/2 = 3.87 km.s-1. Il en résulte que : dt/t = γ - 1 = 8.3 10-11 (γ étant le Facteur de Lorentz). Si aucune correction n'est appliquée, on atteint dt = 3 ns en 30 secondes !
3. Effet Einstein :
Les satellites étant quatre fois plus élevés que l'observateur au sol, l'Effet Einstein s'applique donc avec un décalage : dt/t = G MTerre c-2 (1/RTerre - 1/rsat) = 5.3 10-10
Si aucune correction n'est appliquée, on atteint dt = 3 ns en 6 secondes, ce qui correspondrait à une erreur de positionnement de 14 km en un jour !
Pour tenir compte de ces deux décalages relativistes, la fréquence propre des horloges atomiques est corrigée avant l'émission du signal radio vers la Terre (voir [GOU, Relativité Générale, p. 205, 211]).
L'histoire de l'univers, depuis sa création il y a environ 13 milliards d'années, est résumée ci-dessous.
Temps en années | Temps ramené à une année | Evénement | Détail |
---|---|---|---|
-13 milliards | 1er janvier | Big Bang | Naissance de l'univers selon le Modèle cosmologique standard, avec formation de l'hydrogène et de l'hélium |
-12,5 milliards | 1er février | Galaxies et proto-étoiles | Apparition des galaxies issues de la concentration d'atomes d'hydrogène dans un univers en expansion. Au sein de ces galaxies, naissent les premières étoiles primitives qui se forment lorsque des nuages de gaz interstellaires très froids et denses s'effondrent sous l'influence de la gravité et provoquent des réactions nucléaires en leur coeur. L'effondrement peut être dû à l'attraction gravitationnelle d'une étoile proche, ou l'onde de choc causée par une supernova, ou la collision de deux galaxies. |
-4,6 milliards | 1er septembre | Système Solaire et Terre | Apparition de notre Soleil au sein de notre galaxie (Voie Lactée). Autour de lui, les poussières s'agrègent en blocs formant à leur tour des planètes dont la Terre. |
-3,5 milliards | 1er octobre | Organismes vivants sans noyau | Sur Terre, apparition des Procaryotes (cellules sans noyau) dont les bactéries marines |
-2,2 milliards | 1er novembre | Organismes vivants à noyau | Apparition des premiers Eucaryotes (cellules à noyau) dont les algues brunes |
-1,8 milliards | 1er décembre | Oxygène terrestre | Apparition de l'oxygène libre dans l'atmosphère terrestre |
-600 millions | 15 décembre | Organismes marins à coquille | Apparition des coquillages et des crustacés |
-500 millions | 19 décembre | Poissons et premiers vertébrés | |
-450 millions | 20 décembre | Plantes terrestres sans fleurs | |
-400 millions | 22 décembre | Insectes volants et amphibiens | |
-300 millions | 23 décembre | Arbres et reptiles | |
-200 millions | 25 décembre | Dinosaures et mammifères | |
-150 millions | 27 décembre | Oiseaux et plantes à fleurs | |
-66 millions | 30 décembre | Disparition des dinosaures | |
-18 millions | 31 décembre à 12 h | Cétacés et primates | |
-20 millions | 31 décembre à 14 h | Hominidae | Apparition des premiers grands singes |
-2,0 millions | 31 décembre à 22 h | Homo Habilis | Apparition des premiers humains |
-200 000 | 31 décembre à 23 h 56 min | Homo Sapiens | Apparition de l' "homme moderne" |
-2 000 | 31 décembre à 23 h 59 min 56 s | An 0 chrétien | |
0 | 31 décembre à 24 h | Aujourd'hui |
Sources :
- https://fr.wikipedia.org/wiki/Calendrier_cosmique_de_Carl_Sagan
- http://www.syti.net/EvolutionStory.html
- https://www.lemonde.fr/passeurdesciences/article/2017/05/31/l-histoire-de-l-univers-condensee-en-un-an_6001909_5470970.html
- https://www4.obs-mip.fr/wp-content-omp/uploads/sites/44/2017/04/histoire_temps_univers.pdf
- https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/chronologie-terre.xml
[GOU, Relativité Restreinte, p. 163-171]
- Pour un même Observateur O à un instant fixé τ de son Temps propre, il ne faut pas confondre la position (x, y, z) d'un objet M et son image perçue. Cette image ou photographie est générée par l'ensemble des photons qui arrivent de M en O. En particulier, la Contraction des longueurs concerne la position de l'objet et non son image.
- Pour un cube qui se déplace perpendiculairement à la ligne de visée d'un observateur Inertiel, ce dernier perçoit l'image d'un cube ayant subi une rotation d'un angle θ donné (voir Figure 1 ci-dessus). Il perçoit la face arrière du cube en plus de la face orientée vers lui. Cette rotation apparente n'est pas relativiste et résulte du temps fini de propagation de la lumière. La relativité intervient seulement au travers de la contraction de la face orientée vers l'observateur selon la Transformation de Lorentz-Poincaré.
- L'image d'une sphère en mouvement est une sphère qui paraît avoir subi une rotation et présente sa face opposée au mouvement (voir Figure 2 ci-dessus). Si l'on ne prenait en compte que le temps fini de propagation de la lumière dans une théorie non-relativiste (galiléenne), une sphère apparaîtrait allongée dans la direction du mouvement. C'est grâce à la Contraction des longueurs qu'elle apparaît exactement sphérique. Seule la taille angulaire du cercle peut changer.
- Certains mouvements en astrophysique peuvent être superluminiques, avec une vitesse apparente supérieure à c. Ces vitesses apparentes superluminiques sont engendrées par des mouvements subluminiques dans une direction proche de la ligne de visée. Ainsi le micro-quasar GRS 1915+105 a été observé en 1994 dans notre galaxie avec une vitesse apparente 1.25 c correspondant à une éjection de matière à la vitesse 0.92 c suivant un angle θ de 70°.
La ligne d'univers (ou trajectoire spatio-temporelle) d'une particule matérielle est une courbe de l'Espace-temps (ou chemin séquentiel d'événements) correspondant à l'histoire de la particule.
Par définition, les lignes d'univers des particules matérielles sont toujours situées à l'intérieur du Cône de lumière en un point donné (voir Figure ci-dessus). Ce sont des courbes quelconques de Genre temps. Elles ne sont des Géodésiques que lorsque la particule matérielle n'est soumise à aucune autre interaction que celle induite par le champ gravitationnel.
L'Equation de Poisson de la gravitation Newtonienne (Δψ = 4 π G ρ) est un cas particulier de l'Equation d'Einstein qui correspond à un espace-temps isotrope spatialement, contenant un fluide parfait non relativiste (p << ρ c2), dans un champ gravitationnel faible (|ψ| << c2), et sans Constante cosmologique (Λ = 0).
Cette limite Newtonienne fournit le coefficient de couplage gravitationnel (K = 8 π G c-4) utilisé dans l'Equation d'Einstein ainsi que le rayon gravitationnel de Schwarzschild (r* = 2 G M c-2) utilisé dans la Résolution de l'équation d'Einstein avec la Métrique de Schwarzschild.
Démonstration complète (portant sur les dix équations d'Einstein) : En champ gravitationnel faible, on peut toujours trouver un système de coordonnées (xi pour i = 0 à 3) = (ct, x, y, z) où les composantes de la métrique s'écrivent en prenant la convention de Signature (-, +, +, +) : (N1a) ds2 = -A2 c2dt2 + A-2 (dx2 + dy2 + dz2) (N1b) A = 1 + (ψ c-2) où ψ désigne le potentiel gravitationnel Newtonien (ψ = -G M / r) satisfaisant : |ψ| << c2 On note o(B) la fonction "petit o de la quantité B au voisinage de 1" qui est la fonction négligeable de Landau. Cette métrique s'écrit au premier ordre en ψ c-2 sous la forme équivalente suivante : (N2a) ds2 = -(1 + B + o(B2)) c2dt2 + (1 - B + o(B2)) (dx2 + dy2 + dz2) (N2b) B = 2 (ψ c-2) = -2 G M c-2 / r = B(r) On notera les relations utiles suivantes : (N3a) r B,i = r dB/dxi = r (dB/dr)(dr/dxi) = -B (xi/r) = o(B) (N3b) r2 B,i,j = r2 d(B,i)/dxj = -xi r2 d(B r-2)/dxj = 3 B (xi/r) (xj/r) = o(B) (N3c) Théorème de Schwartz : B,i,j = B,j,i (N3d) B,i,0 = B,0 = 0 (N3e) Laplacien : ΔB = ∑i[B,i,i] Les potentiels de gravitation gij du Tenseur métrique sont alors les suivants : (P1a) g00 = -(1 + B + o(B2)) = -1 + o(B) (P1b) g11 = g22 = g33 = (1 - B + o(B2)) = 1 + o(B) (P1c) gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3 Les potentiels de gravitation gij du Tenseur métrique inverse sont alors les suivants tels que : gij gjk = δik où δ est le Symbole de Kronecker. (P2a) g00 = 1/g00 = -1 + o(B) (P2b) g11 = g22 = g33 = 1/g11 = 1 + o(B) (P2c) gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3 On notera la relation utile suivante : (P3) r gii,k = -r B,k + o(B2) Les Symboles de Christoffel Γijk s'écrivent ensuite par les relations : Γijk = Γikj = (1/2) gil (glk,j + glj,k - gjk,l) Compte tenu de la relation (P2c), ces relations se simplifient en : (S1a) Γijk = Ki Gijk (S1b) Ki = (1/2) gii (S1c) Gijk = gik,j + gij,k - gjk,i Quatre cas distincts sont à considérer selon les valeurs de i, j et k. Compte tenu des relations (P3)(P2b)(P1c), ces cas s'écrivent au premier ordre en B (sans le terme o(B2)) : Cas 1 où (i = 0) et (j = 0) Exemples : (ijk) = (000), (001), (010) Gijk = g0k,0 + g00,k - g0k,0 = g00,k = -B,k Γ00k = Γ0k0 = (-1/2) g00 B,k Cas 2 où (i ≠ 0) et (j = i) Exemples : (ijk) = (101), (110), (111) Gijk = gik,i + gii,k - gik,i = gii,k = -B,k Γiik = Γiki = (-1/2) g11 B,k Cas 3 où (i ≠ j) et (j = k) Exemples : (ijk) = (011), (100) Gijk = gik,k + gik,k - gkk,i = -gkk,i = B,i Γikk = (1/2) gii B,i = (1/2) g11 B,i Cas 4 où (i, j et k tous différents) Exemples : (ijk) = (012), (102) Gijk = gik,j + gij,k - gjk,i = 0 Γijk = 0 Compte tenu des relations (P2a)(P2b)(N3a)(N3b), on notera les relations utiles suivantes : (S2a) r Γijk = o(B) (S2b) r2 Γijk,l = o(B) (S2c) Γijk,0 = 0 Les composantes Rij du Tenseur de Ricci s'écrivent ensuite par les relations : Rij = Rkikj = (Γkij,k - Γkik,j) + (Γkkl Γlij - Γkjl Γlik) Compte tenu des relations (S2a)(S2b), ces relations se simplifient en : (T1) r2 Rij = r2 Rji = r2 (Γkij,k - Γkik,j) + o(B2) D'où l'expression de chaque Rij au premier ordre en B : Composante R00 : Compte tenu des relations (S2c)(N3e) et du Cas 3 ci-dessus, on obtient : S1 = Γk00,k = Γ000,0 + ∑k≠0[Γk00,k] = 0 + ∑k≠0[(1/2) g11 B,k,k] = (1/2) g11 ΔB S2 = Γk0k,0 = 0 R00 = S1 - S2 = (1/2) g11 ΔB = (1/2) ΔB Composante Rii pour (i≠0) : Compte tenu des relations (S2c)(N3e) et des Cas 2, 3 et 1 ci-dessus, on obtient : S1 = Γkii,k = Γiii,i + Γ0ii,0 + ∑k≠i, k≠0[Γkii,k] = (-1/2) g11 B,i,i + 0 + ∑k≠i, k≠0[(1/2) g11 B,k,k] = (-1/2) g11 (2 B,i,i - ΔB) S2 = Γkik,i = Γ0i0,i + ∑k≠0[Γkik,i] = (-1/2) g00 B,i,i + ∑k≠0[(-1/2) g11 B,i,i] = (-1/2) (g00 + 3 g11) B,i,i Rii pour (i≠0) = S1 - S2 = (1/2) (g00 + g11) B,i,i + (1/2) g11 ΔB = (1/2) ΔB = R00 Composante Rij pour (i≠j) : Compte tenu des relations (S2c)(N3d)(N3c) et des Cas 4, 2 et 1 ci-dessus, on obtient : S1 = Γkij,k = S11 + S12 S11 = ∑k≠i, k≠j[Γkij,k] = 0 + 0 S12 = Γiij,i + Γjij,j Cas A : Si (i=0) et (j≠0) : S12 = Γ00j,0 + Γj0j,j = 0 + (-1/2) g11 B,0,j = 0 Cas B : Si (i≠0) et (j=0) : S12 = Γii0,i + Γ0i0,0 = (-1/2) g11 B,0,i + 0 = 0 Cas C : Si (i≠0) et (j≠0) : S12 = Γiij,i + Γjij,j = (-1/2) g11 B,j,i + (-1/2) g11 B,i,j = (-1/2) 2 g11 B,i,j S1 = S11 + S12 = S12 S2 = Γkik,j = S21 + S22 S21 = Γ0i0,j = (-1/2) g00 B,i,j S22 = ∑k≠0[Γkik,j] = 3 (-1/2) g11 B,i,j S2 = S21 + S22 = (-1/2) (g00 + 3 g11) B,i,j Rij pour (i≠j) = S1 - S2 = Cas A : 0 - (-1/2) (g00 + 3 g11) B,0,j = 0 Cas B : 0 - (-1/2) (g00 + 3 g11) B,i,0 = 0 Cas C : (1/2) (g00 + g11) B,i,j = 0 Rij pour (i≠j) = 0 quel que soit le Cas A, B ou C. La Courbure scalaire s'écrit ensuite par la relation : R = gij Rij Compte tenu de la relation (P2c), R se simplifie en : (C1) R = gii Rii D'où l'expression de R au premier ordre en B : R = g00 R00 + ∑i≠0[gii Rii] = g00 R00 + g11 (3 R00) = 2 R00 = ΔB Le Tenseur d'Einstein modifié s'obtient ensuite par la relation : Sab = Rab - (1/2) gab R + Λ gab En remplaçant dans cette relation les expressions trouvées pour gij, gij, Rij et R, on obtient au premier ordre en B : S00 = R00 - (1/2) g00 R + Λ g00 = ΔB - Λ Sii pour (i≠0) = Rii - (1/2) g11 R + Λ g11 = Λ Sij pour (i≠j) = Rij - (1/2) gij R + Λ gij = 0 Le Tenseur Energie-impulsion du Fluide Parfait de densité ρ et de pression p, s'obtient ensuite par la relation : Tij = (c2 ρ + p) ui uj + p gij Dans le cas d'un espace-temps isotrope spatialement contenant un fluide parfait non relativiste (p << ρ c2), alors Tij s'écrit : T00 = ρ c2 Les autres composantes Tij sont toutes nulles. L'équation d'Einstein s'écrit alors par la relation : Sab = K Tab et donnent au premier ordre en B : ΔB - Λ = S00 = K T00 = K ρ c2 Λ = Sii pour (i≠0) = K Tii = 0 0 = Sij pour (i≠j) = K Tij = 0 Compte tenu de la relation (N2b), la première équation s'écrit : Δψ = (1/2) K ρ c4 + (1/2) Λ c2 Dans le cas où la Constante cosmologique est nulle (Λ = 0), les dix équations d'Einstein se réduisent alors à une seule équation (Δψ = (1/2) K ρ c4). En choisissant un coefficient de couplage gravitationnel K égal à : K = 8 π G c-4, on retrouve alors l'Equation de Poisson de la gravitation Newtonienne (Δψ = 4 π G ρ). En comparant le g00 de la métrique de Schwarzschild (g00 = -(1 - r*/r)) avec le g00 de la limite Newtonienne (g00 = -(1 + B)), on obtient le rayon gravitationnel de Schwarzschild : r* = 2 G M c-2 |
La loi de composition des vitesses en Relativité Restreinte est la suivante :
Soit trois référentiels orthonormés R, R' et R" initialement coïincidents à t = t' = t" = 0, avec leurs axes respectifs parallèles.
R' effectue une translation rectiligne uniforme à vitesse constante v par rapport à R (mesurée dans R), suivi de R" à vitesse constante u par rapport à R' (mesurée dans R'), ces vitesses pouvant être colinéaires ou non.
La vitesse composée w d'un objet immobile dans R" par rapport à R (mesurée dans R) s'écrit alors :
1. Cas où les vitesses u et v sont colinéaires (voir démonstration dans Transformation de Lorentz-Poincaré) :
w = (v + u) / (1 + v u / c2)
pouvant s'écrire également :
(1 - w/c) = (1 - v/c)(1 - u/c)
Cette forme multiplicative montre que la vitesse composée w ne peut jamais dépasser la vitesse de la lumière et que, à des vitesses élevées, la loi de composition n'est plus additive mais multiplicative en termes d'écarts relatifs par rapport à c.
2. Cas où les vitesses u et v ne sont pas colinéaires :
L'expression de la vitesse composée w est complexe et dépend de l'ordre d'application des transformations (d'abord v dans le référentiel R, puis u dans le référentiel R').
Par ailleurs, l'expression vectorielle de w peut présenter des différences selon les auteurs, liées à la définition de chaque vitesse v et u, ainsi qu'au référentiel de mesure de chacune de ces vitesses [WIK, Velocity-addition formula]. Dans la littérature scientifique, la situation standard est souvent la suivante :
* vitesse v de R' / R mesurée dans R
* vitesse u de R" / R' mesurée dans R'
* vitesse composée w de R" / R mesurée dans R
Cette convention permet une application directe et cohérente de la formule de composition des vitesses en Relativité Restreinte, tout en évitant les ambiguïtés potentielles dans l'interprétation des résultats.
L'expansion de l'univers a été prédite en 1922 par Alexander Friedmann.
La loi de Hubble-Lemaître énoncée en 1929 stipule que les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse v d'expansion approximativement proportionnelle à leur distance d :
v = H(t) d |
où H(t) est le paramètre de Hubble utilisé notamment dans les Equations de Friedmann.
La vitesse v n'est pas une vitesse physique. Elle traduit seulement la dilatation de l'Espace-temps qui provoque un mouvement d'ensemble des galaxies de l'univers. Ainsi, la Terre "recule devant la lumière" parce que l'Espace-temps se dilate.
La valeur actuelle H(t) (appelée constante H0 de Hubble) vaut environ 70 (km/s)/Mpc, avec 1 pc = 1 parsec = 3,2616 années-lumière = 3,085677581 1016 m
Toute galaxie lointaine ayant même Temps propre que l'Observateur (appelé Temps cosmique), il n'y a pas d'effet de temps relatif (Effet Doppler-Fizeau) sur sa période de rayonnement mais un simple effet de retard différentiel sur la période du rayonnement reçu.
A ce mouvement d'ensemble se superposent les mouvements propres acquis par les galaxies du fait de leurs interactions gravitationnelles avec leurs voisines.
La mécanique relativiste se rapporte à la mécanique compatible avec la Relativité Restreinte et la Relativité générale.
Comme en mécanique classique, le sujet peut être divisé en deux : la cinématique qui décrit le mouvement en termes de Quadri-position, Quadri-vitesse, Quadri-rotation et Quadri-accélération, et la dynamique qui décrit la cause du mouvement en termes de Quadri-impulsion, Moment cinétique, Quadri-force et Energie.
Par ailleurs, lorsqu'on passe d'un Observateur à un autre, certaines quantités sont transformées : longueurs et durées (Transformation de Lorentz-Poincaré), vitesses [GOU, Relativité restreinte, p.141], accélérations [GOU, Relativité restreinte, p.151], fréquences (Effet Doppler), angles d'observations (Aberration) et images (Image).
Figures ci-dessus de gauche à droite : Alexander Alexandrowitsch Friedmann, Georges Lemaître, Howard Percy Robertson et Arthur Geoffrey Walker
La Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker est une Métrique relativiste correspondant à un espace-temps spatialement homogène et isotrope.
En coordonnées sphériques (r > 0, colatitude θ = [0, π], longitude φ = [0, 2 π]) (voir Figure dans Espace-temps), la métrique s'écrit comme suit, pour tout système de coordonnées (ct, r, θ, φ) et en prenant la convention de Signature (-, +, +, +) :
ds2 = -c2dt2 + a(t)2 ( dr2 (1 - k r2)-1 + r2 (dθ2 + sin2[θ] dφ2) ) |
où k est une constante appelée paramètre de courbure de l'espace qui peut être plate (k = 0), fermée (k = 1) ou ouverte (k = -1) ;
et a(t) une fonction de t uniquement, appelée facteur d'échelle ou facteur de courbure ou rayon de l'univers (a(t) > 0).
La coordonnée r est sans dimension et le rayon (a) a la dimension d'une longueur (en m).
Le cas k = 0 correspond à une platitude des sections spatiales et non de l'Espace-temps.
Les potentiels de gravitation gij sont alors les suivants :
g00 = -1 ; g11 = a(t)2 (1 - k r2)-1 ; g22 = a(t)2 r2 ; g33 = a(t)2 r2 sin2[θ] ; gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3 avec a(t) = solution d'une équation différentielle (voir Résolution de l'équation d'Einstein avec la Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker) : |
Le signe de d(a)/dt renseigne sur l'évolution de l'univers : positif si expansion, négatif si contraction et nul si statique.
Les coordonnées spatiales (xi) décrivent alors des hypersurfaces spatiales de type espace euclidien (pour k = 0), hypersphérique (pour k = 1) et hyperbolique (pour k = -1), dont la courbure spatiale k* est constante et vaut : k* = 6 k a(t)-2
Démonstration de la métrique ds2 [GOU, Relativité Générale, p.194] : Un Espace-temps spatialement homogène et isotrope est équivalent à un espace maximalement symétrique de dimension 3 (ou encore à courbure k* constante spatialement) avec trois types possibles d'espaces maximalement symétriques selon la valeur de k* (non démontré ici) : Si k* = 0, l'espace est l'espace R3 muni de la métrique euclidienne standard. Sa métrique est la suivante : gij dxi dxj = dr2 + r2 (dθ2 + sin2[θ] dφ2) Si k* > 0, l'espace est l'hypersphère S3 qui est la partie de R4 définie par : x2 + y2 + z2 + w2 = 1 où (x, y, z, w) désigne un élément générique de R4. Cette définition est la transposition à 3 dimensions de la définition de la sphère bidimensionnelle S2 dans R3. Sa métrique est la suivante : gij dxi dxj = dΧ2 + sin2[Χ] (dθ2 + sin2[θ] dφ2) avec Χ = [0, π] Si k* < 0, l'espace est l'espace hyperbolique H3 qui est la nappe supérieure de l'hyperboloïde à deux nappes de dimension 3 défini dans R4 par : x2 + y2 + z2 - w2 = -1 Sa métrique est la suivante : gij dxi dxj = dρ2 + sinh2[ρ] (dθ2 + sin2[θ] dφ2) avec ρ > 0 En posant r = sin[Χ] = sinh[ρ], ces trois métriques se mettent sous une forme commune : gij dxi dxj = dr2 (1 - k r2)-1 + r2 (dθ2 + sin2[θ] dφ2) avec k = 0 pour l'espace euclidien, k = 1 pour l'hypersphère et k = -1 pour l'espace hyperbolique. |
La Métrique de Hermann Minkowski est une Métrique relativiste correspondant à l'Espace-temps plat de la Relativité Restreinte. Cette métrique est solution de l'Equation d'Einstein sous les conditions Λ = 0 et Tab = 0 (vu que le Tenseur de courbure est nul, donc également le Tenseur de Ricci Rab).
En coordonnées cartésiennes, la mérique s'écrit comme suit, pour tout système de coordonnées (ct, x, y, z) et en prenant la convention de Signature (-, +, +, +) :
ds2 = -c2dt2 + dx2 + dy2 + dz2 correspondant aux potentiels de gravitation gij tels que : g00 = -1 ; g11 = 1 ; g22 = 1 ; g33 = 1 ; gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3. |
Cette métrique gij_MINK a les propriétés suivantes : gij = gji = gij = gji
En coordonnées sphériques (r > 0, colatitude θ = [0, π], longitude φ = [0, 2 π]) (voir Figure dans Espace-temps), la métrique s'écrit comme suit, pour tout système de coordonnées (ct, r, θ, φ) et en prenant la convention de Signature (-, +, +, +) :
ds2 = -c2dt2 + dr2 + r2 dθ2 + r2 sin2[θ] dφ2 correspondant aux potentiels de gravitation gij tels que : g00 = -1 ; g11 = 1 ; g22 = r2 ; g33 = r2 sin2[θ] ; gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3. |
La métrique de Karl Schwarzschild est une Métrique relativiste correspondant au champ gravitationnel statique et à symétrie centrale. C'est le cas du Soleil et de nombreux astres. Le corps central est à symétrie sphérique et sans être nécessairement statique (par exemple une étoile pulsante qui oscille radialement ou une étoile qui s'effondre en un Trou noir en maintenant sa symétrie sphérique). Le champ gravitationnel doit être par contre statique, même s'il ne l'est pas dans la zone où se trouve la matière. A noter que le champ gravitationnel est nécessairement statique en symétrie sphérique et dans le vide (théorème de Birkhoff).
En coordonnées sphériques (r > 0, colatitude θ = [0, π], longitude φ = [0, 2 π]) (voir Figure dans Espace-temps), la métrique s'écrit comme suit, pour tout système de coordonnées (ct, r, θ, φ) et en prenant la convention de Signature (-, +, +, +) :
ds2 = -e2 μ c2dt2 + e2 α dr2 + r2 dθ2 + r2 sin2[θ] dφ2 |
où μ et α sont des fonctions uniquement de r.
Les potentiels de gravitation gij sont alors les suivants :
g00 = -e2 μ ; g11 = e2 α ; g22 = r2 ; g33 = r2 sin2[θ] ; gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3 avec (voir Résolution de l'équation d'Einstein avec la Métrique de Schwarzschild) : g00 = -(1 - r*/r) g11 = 1/(1 - r*/r) où r* est le rayon de Schwarzschild. |
Démonstration de la métrique ds2 [GOU, Relativité Générale, p.116] : La symétrie centrale sphérique du champ permet d'écrire la métrique sous la forme suivante : ds2 = -N2 c2dt2 + A2dr2 + B2 (dθ2 + sin2[θ] dφ2) où les composantes N, A et B sont des fonctions de r et de t. La staticité du champ permet ensuite de supprimer la dépendance de t dans ces composantes. Par ailleurs, on peut toujours choisir comme coordonnée r le rayon aréolaire des sphères d'invariance liées à la symétrie sphérique. D'où les résultats : N(r,t) = N(r) = eμ A(r,t) = A(r) = eα B(r,t) = B(r) = r |
Si (ds) est la distance (ou intervalle) entre deux événements infiniments voisins de l'Espace-temps, alors la métrique relativiste est le "carré" de cette distance et s'écrit :
ds2 = gij dxi dxj |
Dans l'Espace-temps courbe de la Relativité Générale, cette métrique peut être négative, nulle ou positive, et s'écrit en coordonnées cartésiennes :
ds2 = g00 (c dt)2 + g01 (c dt) dx + g02 (c dt) dy + g03 (c dt) dz +
g10 dx (c dt) + g11 dx2 + g12 dx dy + g13 dx dz +
g20 dy (c dt) + g21 dy dx + g22 dy2 + g23 dy dz +
g30 dz (c dt) + g31 dz dx + g32 dz dy + g33 dz2
Les coefficients gij sont les composantes du Tenseur métrique.
A noter que la quantité ds2 est toujours négative pour une particule matérielle de masse non nulle, le vecteur tangent à sa Ligne d'Univers étant du Genre temps.
La déviation des rayons lumineux est à l'origine du phénomène de mirage gravitationnel, prédit en 1936 par Albert Einstein et observé en 1979 par Dennis Walsh et ses collègues Robert Carswell et Ray Weymann sur le quasar double QSO 0957+561.
Ce phénomène peut prendre différents aspects en fonction de l'alignement de l'Observateur, de la masse qui déforme (galaxie par exemple) et de la source observée (quasar par exemple). On peut voir des anneaux parfaits (appelés Anneaux d'Einstein), des arcs de cercle ou simplement des images démultipliées de la source (voir Figures ci-dessus).
Non seulement ces lentilles gravitationnelles dévient mais amplifient la lumière déviée, ce qui fascine les astronomes.
Le modèle cosmologique qui décrit le mieux à l'heure actuelle l'Histoire et le comportement de l'univers observable est le modèle standard de la cosmologie (ou modèle avec Big Bang ou modèle Λ-CDM signifiant "Λ Cold Dark Matter").
Ce modèle représente un univers ayant les propriétés suivantes (voir courbe C4 en Figure ci-dessus) :
1. Modèle avec Big Bang (tel que le facteur d'échelle a(t) tende vers 0 quand t tend vers 0).
2. Spatialement homogène et isotrope à grande échelle (donc aussi à courbure spatiale constante). Voir Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.
3. Dont la courbure spatiale est nulle (k = 0). A ne pas confondre avec la courbure de l'espace-temps (Tenseur de Ricci) qui mesure la déformation spatio-temporelle de l'univers.
4. Rempli d'un fluide parfait (gaz de galaxies) de densité ρ et d'équation d'état w = p/(ρ c2) qui modélise la matière et l'énergie dans l'univers. Ce fluide est constitué de plusieurs composantes :
4.1. Matière ordinaire constituée des protons, neutrons et électrons formant les atomes et les molécules. C'est une matière froide, baryonique et non relativiste (w = 0).
4.2. Matière noire qui est froide, non baryonique et non relativiste (w = 0).
4.3. Rayonnement et matière chaude incluant toutes les formes de rayonnement électromagnétique (photons) et des particules relativistes comme les neutrinos. Cette composante est chaude et relativiste (w = 1/3).
4.4. Energie Noire (w = -1) nécessitant : Λ > 0.
Le vecteur moment cinétique σC d'une particule M par rapport à un point C donné et mesuré par un Observateur O dans son Référentiel local à un instant τ est donné par la relation suivante (voir Figure ci-dessus) [GOU, Relativité Restreinte, p.322] :
σC = CM xu0 P |
P est le Vecteur impulsion de la particule.
u0 et Eu0 sont la Quadri-vitesse de l'Observateur et son Espace local de repos.
"xu0" est l'opérateur Produit vectoriel entre deux vecteurs quelconques de Eu0, ce qui s'écrit : CM xu0 P = Ε(u0, CM, P, .)
où :
Ε est le Tenseur de Levi-Civita
Ε(u0, CM, P, .) désigne le vecteur qui représente la Forme linéaire Ε(u0, CM, P, z) pour le Produit scalaire g.
σC appartient à Eu0 et ses composantes sont de dimension kg.m2.s-1
La multiplicité des temps propres (ou désynchronisation des horloges parfaites) est la prédiction la plus extraordinaire et contre-intuitive de la Relativité (Restreinte et Générale). La version la plus étonnante de cette prédiction est le Paradoxe des jumeaux.
Cet effet fut décrit pour la première fois par Einstein en 1905 sous la forme suivante : "Si au point A, il y a deux horloges synchronisées et si nous déplaçons l'une d'elles à une vitesse constante v selon une courbe fermée qui revient à A, le déplacement étant complété en t secondes, alors à son arrivée à A, cette dernière retardera de (1/2) t (v/c)2 secondes sur l'horloge immobile (en négligeant les approximations du quatrième ordre en v/c et supérieurs) [EIN Sur_l'électrodynamique, parag.4]".
Einstein indique toutefois que ce résultat est valable si "nous faisons l'ypothèse que le résultat obtenu pour une ligne polygonale est également vrai pour une ligne courbe".
Le retard indiqué par Einstein est par ailleurs une formule approchée (valable pour les vitesses faibles) [GOU, Relativité restreinte, p.47].
Ainsi, deux horloges associées à des Lignes d'univers distinctes seront en général désynchronisées lorsqu'elles se croiseront. Plus précisément, deux horloges parfaites (c'est-à-dire ne se déréglant jamais) et idéalement synchronisées vont se décaler si on les sépare avant de les réunir à nouveau. Le nombre de secondes comptée diffèrera d'une horloge à l'autre, le temps cumulé dépendant de la trajectoire suivie par chaque horloge. Si le référentiel n'est pas Inertiel, le décalage correspondra à une avance ou à un retard.
La multiplicité des temps propres est une conséquence directe de la théorie de la Relativité Restreinte. Il n'existe pas à ce jour de théorie physique alternative qui éliminerait la multiplicité des temps propres tout en respectant l'ensemble des observations empiriques validées par la Relativité restreinte [CHA][PER].
Mais qu'en est-il de l'explication rationnelle de cet effet ? Les avis sont rares et partagés, notamment :
- Pierre Spagnou, auteur scientifique, enseignant à l'ISEP, explique : "L'effet est chrono-géométrique (i.e. géométrique à quatre dimensions inséparables) : ce ne sont pas les horloges qui se dérèglent mais les "longueurs" temporelles qui ne se conservent pas lors de nos déplacements, contrairement au cadre cinématique classique" [SPA Einstein_et_la_révolution, p.23]. "C'est le nombre de secondes qui varie d'une horloge à l'autre, et non la seconde qui se contracte ou se dilate" [SPA, L'expérience].
- Henri Bergson, philosophe français, explique : "On nous dit que, si deux horloges identiques et synchrones sont au même endroit dans le système de référence, si l'on déplace l'une et si on la ramène près de l'autre au bout du temps t (temps du système), elle retardera sur l'autre horloge. Il faudrait en réalité dire que l'horloge mobile présente ce retard à l'instant précis où elle touche, mouvante encore, le système immobile, et où elle va y rentrer. Mais aussitôt rentrée, elle marque la même heure que l'autre..." [BER Durée, p.208].
- Chatgpt répond : "La relativité implique que le temps s'écoule différemment selon la vitesse de l'observateur et la présence de champs gravitationnels, ce qui se traduit par des temps propres différents pour chaque observateur. Imaginez deux randonneurs qui partent du même point de départ mais prennent des chemins différents à travers une montagne pour se retrouver à nouveau au même point à la fin de leur randonnée. Alice prend un sentier escarpé et marche sur 2 km à une vitesse moyenne de 1 km/h. Bob prend un sentier plus long mais plus plat, et marche sur 6 km à la vitesse moyenne de 2 km/h. Chacun mesure le temps qu'il a mis pour parcourir son chemin. A la fin de la randonnée, ils comparent leurs temps de marche : Alice a mis 2 heures et Bob 3 heures. Ainsi, chaque randonneur (ou observateur) a vécu son propre temps en fonction de son chemin (ou référentiel) et ces différences de temps se révèlent lorsqu'ils se rejoignent en un même point spatio-temporel." [CHA]
- Chatgpt donne également l'explication suivante sur l'expérience d'Einstein : "Même lorsque les horloges se croisent et s'arrêtent de bouger au même point, la différence de temps mesurée entre elles est due à l'effet cumulatif de la dilatation des durées pendant leur mouvement relatif précédent." [CHA]
La multiplicité des temps propres a été confirmée expérimentalement en 1971 par Hafele & Keating en même temps que la Dilation du temps gravitationnel.
L'énergie noire est une hypothétique force répulsive globale remplissant uniformément tout l'univers, qui tend à accélérer l'expansion de l'univers (donc nécessitant : Λ > 0).
Voir Modèle cosmologique standard
La matière noire est une hypothétique matière produisant un surplus de gravité dont les galaxies ont besoin pour ne pas se défaire durant leur rotation.
Voir Modèle cosmologique standard
Les principales notations mathématiques utilisées dans cette page sont les suivantes :
Opérations élémentaires sur les tenseurs :
Synthèse des opérateurs
, d grad div rot Δ Δ ◊ : Convention de dérivée partielle
akm bm ck : Convention de sommation (dite "convention d'Einstein")
; : Dérivée covariante
Div : Divergence
* : Dual (espace et base)
. ||x|| : Produit scalaire et norme
⊗ : Produit tensoriel
x : Produit vectoriel
Symboles alphabétiques grecs :
Λ : Constante cosmologique
γ : Facteur de Lorentz
ω : Forme linéaire
η : Matrice de Minkowski
Γ : Symbole de Christoffel
δ : Symbole de Kronecker
ε : Symbole de Levi-Civita
ε0 : Permittivité diélectrique dans le vide
Symboles alphabétiques latins :
a : Rayon de l'univers
c : Vitesse de la lumière dans le vide
Ε : Tenseur de Levi-civita
Eu : Espace local de repos de l'observateur
F : Tenseur électromagnétique
g : Tenseur métrique
G : Constante de gravitation universelle
K : Coefficient de couplage gravitationnel
k : Paramètre de courbure de l'espace
O : Observateur
R : Tenseur de Ricci
R : Courbure scalaire
r* : Rayon gravitationnel
S : Tenseur d'Einstein modifié
T : Tenseur Energie-impulsion
Un observateur O est défini par la donnée d'une Ligne d'univers L et d'un Référentiel local (e0, e1, e2, e3) le long de L (voir Figure ci-dessus) [GOU, Relativité restreinte, p.80].
La notion d'observateur est la cause de bien des incompréhensions, notamment de la part des philosophes. L'observateur relativiste ne voit pas les phénomènes au sens habituel du mot 'voir'. Il recueille des mesures de position et de temps en différents points de son référentiel. Ceci présuppose que l'on a placé en chaque point du référentiel une horloge et que cet ensemble d'horloges est synchronisé.
Une observation faite par un observateur O consiste donc à recueillir, pour un événement M qui se passe dans ce référentiel, un ensemble de valeurs pour la position (les coordonnées x, y et z) et une pour le temps (t) [MAR Mécanique p.14].
Lorsqu'un objet massif se déplace dans l'espace-temps, la courbure de l'espace-temps s'ajuste pour refléter le changement de la position de l'objet.
Sous certaines circonstances, les objets accélérés peuvent produire une perturbation de l'espace-temps qui s'étend et se propage de manière analogue à des vagues à la surface de l'eau.
On désigne par onde gravitationnelle (ou parfois onde de gravitation) ce type de perturbation, et on prédit qu'elle se propage à la vitesse de la lumière.
Albert Einstein a prédit l'existence des ondes gravitationnelles en 1916. Des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux trous noirs ont été détectées directement en 2015 par le laser LIGO (collaboration internationale).
Soient U, V et T des Tenseurs d'ordre quelconque et de valence quelconque portant sur les indices i,j,k,l...
En utilisant la Convention de sommation, on définit les opérations élémentaires suivantes sur ces Tenseurs :
- Somme (Tijk = Uijk + Vijk) de composantes : Tijk = Uijk + Vijk - Produit par un scalaire s (Tijk = s Uijk) de composantes : Tijk = s Uijk - Produit scalaire (T = Uij.Vkl) de composante : T = Uij Vij - Produit tensoriel (Tijkl = Uij ⊗ Vkl) de composantes : Tijkl = Uij Vkl - Dérivée partielle des composantes Uij d'un Tenseur : d(Uij)/d(xk) = Uij,k - Dérivée covariante (DkUij ou Uij;k) - Divergence (Divi(Uij) ou Uij;i) - Elévation d'indice : Uik = gij Ujk - Abaissement d'indice : Uik = gij Uik - Contraction des indices : Uijk contracté sur j et k = Uikk - Changement de base Attention : La dérivée partielle classique d'un Tenseur (exemple : Uij,k) n'est pas généralement un tenseur. Seule la Dérivée covariante l'est (exemple : Uij;k). |
Dans le paradoxe des jumeaux, l'un des jumeaux reste sur Terre tandis que son frère effectue un voyage spatial à une vitesse proche de la lumière puis revient sur Terre. Il faut alors considérer trois référentiels Inertiels : celui du jumeau "au repos", celui du jumeau voyageur lors de l'aller et celui du jumeau voyageur lors du retour. Il n'est plus contesté à ce jour que les horloges des deux référentiels successifs du jumeau voyageur indiquent au total une durée plus courte que celle du jumeau au repos (Multiplicité des temps propres) et le paradoxe n'en est plus un. Peu d'auteurs cependant produisent une démonstration de ce phénomène qui soit physiquement interprétable, avec des Quadri-accélérations non infinies aux points de rupture de la trajectoire spatio-temporelle du jumeau voyageur [GOU, Relativité Restreinte, p.41].
A noter que le Principe d'équivalence combiné à la Multiplicité des temps propres prédite par la Relativité Restreinte, conduit à prédire une multiplicité de temps propres là où il y a multiplicité des potentiels gravitationnels. Deux horloges parfaites placées en des lieux de potentiels gravitationnels différents n'enregistreront pas des temps cumulés identiques. On peut parler de Paradoxe des jumeaux bis : deux jumeaux vivant à des altitudes différentes n'enregistreront pas la même durée.
Ce paradoxe montre que la Relativité permet le voyage vers le futur. Par contre, la Relativité Restreinte ne permet pas le voyage vers le passé, ce qui serait théoriquement possible en Relativité Générale en présence d'un champ gravitationnel [GOU, Relativité Restreinte, p.54].
Mais qu'en est-il du vieillissement biologique des deux jumeaux ? Peut-on dire que le jumeau voyageur revient sur Terre "plus jeune" que le jumeau sédentaire ? Les avis sont très partagés :
- Poincaré ne parle nulle part du temps biologique et affirme que "les propriétés du temps ne sont que celles des horloges".
- Einstein n'affirme rien quant au temps réellement vécu par les habitants liés à un référentiel donné.
- Thibault Damour, physicien de la Relativité, affirme que, même si le jumeau voyageur revient sur Terre plus jeune que le jumeau sédentaire, il n'en vivra pas plus longtemps pour autant. La meilleure image est celle de la cryogénie. Tout se passe comme si, au lieu d'envoyer un des jumeaux dans l'espace, on l'avait mis dans un bloc de glace puis sorti par la suite. Le temps propre du jumeau voyageur est effectivement plus court que celui du jumeau sédentaire, mais il n'acquiert pas un supplément de "temps biologique", par exemple le nombre de battements de coeur.
- Les effets de la dilatation du temps biologique sont actuellement non prouvés expérimentalement.
- La plupart des astrophysiciens affirment que parler de temps biologique n'a pas de sens scientifique.
En conclusion, l'extrapolation des effets de la dilatation du temps physique aux systèmes biologiques reste hypothétique et sujette à débat dans la communauté scientifique.
Le principe d'équivalence est un des principes fondamentaux de la Relativité Générale. Il généralise le principe Newtonien d'égalité entre masse grave (ou gravitationnelle) et masse inerte (ou inertielle) en affirmant qu'un champ de gravitation est localement équivalent à un champ d'accélération.
Il s'énonce comme suit [GOU, Relativité Restreinte, p.709] : Les mesures physiques effectuées par un Observateur Inertiel dans un champ de gravitation uniforme sont en tout point identiques aux mesures effectuées par un Observateur uniformément accéléré.
Produit scalaire de deux vecteurs :
En utilisant la Convention de sommation, le produit scalaire de deux vecteurs quelconques x et y s'écrit :
x.y = gij xi yj = xi yi = xi yi = gij xi yj |
où les coefficients gij sont les composantes du Tenseur métrique.
Certains auteurs utilisent également les deux autres notations suivantes :
x.y = <x, y> = g(x, y)
Démonstration : x.y = (xi ei).(yj ej) = (ei.ej) xi yi = gij xi yj |
La norme ||x|| d'un vecteur x quelconque est la racine carrée de la valeur absolue du produit scalaire de x par lui-même :
||x|| = (|x.x|)1/2
Produit scalaire de deux Tenseurs U et V d'ordre 2 :
T = Uij.Vkl de composante : T = Uij Vij
T = Uij.Vkl de composante : T = gik gjl Uij Vkl
T = Uij.Vkl de composante : T = gik gjl Uij Vkl
Le produit tensoriel de deux Tenseurs d'ordre m et n permet de former un Tenseur d'ordre (m + n) qui "regroupe" les deux Tenseurs.
Ainsi, le Tenseur résultant Tijkl du produit tensoriel Uij ⊗ Vkl a pour composantes : Tijkl = Uij Vkl
Le produit tensoriel conserve la nature (covariante ou contravariante) de chaque indice des tenseurs originaux.
Le produit tensoriel est associatif (U ⊗ (V ⊗ W) = (U ⊗ V) ⊗ W) (cf [GOU, Relativité restreinte, p.473]), non-commutatif et distributif par rapport à l'addition Tensorielle (U ⊗ (V + W) = U ⊗ V + U ⊗ W).
Le produit vectoriel de deux vecteurs quelconques v et w dans un espace vectoriel à n dimensions est un Tenseur T = v x w d'ordre n-2 dont les composantes sont les suivantes :
Ti1i2... in-2 = εi1i2... in-2jk vj wk |
où εi...jk est le Symbole de Levi-Civita
Espace vectoriel E de dimension 3 :
Le produit vectoriel est un vecteur T de composantes :
En composantes covariantes : Ti = εijk vj wk
En composantes contravariantes : Ti = gil Tl = gil εljk vj wk
gij sont les composantes inverses du Tenseur métrique.
Espace vectoriel E de dimension 4 [GOU, Relativité Restreinte, p.87] :
Dans l'Espace local de repos de l'observateur Eu (voir Figure dans Référentiel local), le produit vectoriel (noté xu) entre deux vecteurs quelconques v et w de Eu est un vecteur qui s'écrit : v xu w = Ε(u, v, w, .)
où :
Ε est le Tenseur de Levi-Civita
Ε(u, v, w, .) désigne le vecteur qui représente la Forme linéaire Ε(u, v, w, z) pour le Produit scalaire g.
La quadri-accélération ou 4-accélération d'un point quelconque x de l'Espace-temps est le Quadri-vecteur a qui mesure la variation du champ de Quadri-vitesses u le long de la trajectoire du point. Ce vecteur de dimension m-1 est défini par la relation suivante [GOU, Relativité Restreinte, p.38] :
a = (1/c) du/dτ = ai ei |
où τ est le Temps propre du point.
et ei sont les vecteurs de base de l'espace vectoriel de dimension 4.
Propriétés :
a est orthogonal à u : a.u = 0
a est soit le vecteur nul soit un vecteur du Genre espace : a.a ≥ 0
Le quadri-courant électrique ou 4-courant électrique est le Quadri-vecteur j défini par la relation suivante [GOU, Relativité Restreinte, p.580] :
Q = -∑R[ j.u0 dR ] |
Q est la charge électrique totale d'une région tridimensionnelle R dans l'Espace local de repos Eu0 d'un Observateur inertiel O de Quadri-vitesse u0. Q représente donc le flux du champ vectoriel j à travers R (voir Figure ci-dessus).
j a la dimension d'une densité volumique de charge électrique (en m-3.A.s).
La décomposition orthogonale de j vis-à-vis de u0 s'écrit alors :
j = ρ u0 + c-1 J avec u0.J = 0 |
ρ est la densité de charge électrique mesurée par O (en m-3.A.s).
J est la densité de courant électrique mesurée par O (en m-2.A).
La quadri-force ou 4-force d'une particule matérielle est le Quadri-vecteur f défini par la relation suivante [GOU, Relativité Restreinte, p.313] :
f = dp/dτ |
où p est la Quadri-impulsion de la particule et τ son Temps propre
Ce vecteur est de dimension N ou kg.m.s-2.
Propriétés :
f = d(m c u)/dτ = m c2 a + c (dm/dτ) u
f.u = -c (dm/dτ)
La quadri-impulsion ou 4-impulsion d'une particule matérielle simple (sans spin ni structure interne) est le Quadri-vecteur p défini par la relation suivante [GOU, Relativité Générale, p.37] :
p = m c u |
où m est la masse au repos (ou masse propre) de la particule et u sa Quadri-vitesse
Ce vecteur est de dimension kg.m.s-1 (analogue à une quantité de mouvement).
Propriété :
p.p = -m2 c2
Voir Espace-temps.
Le quadri-potentiel électromagnétique ou 4-potentiel électromagnétique est le Quadri-vecteur A* défini par la relation suivante [GOU, Relativité Restreinte, p.594] :
Fij = d(A*j)/d(xi) - d(A*i)/d(xj) pour i et j pris entre 0 et 3 |
Fij est le Tenseur électromagnétique.
Eu0 est l'Espace local de repos d'un Observateur inertiel O de Quadri-vitesse u0 (voir Figure ci-dessus).
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes de A* sont de dimension V ou kg.m2.s-3.A-1
La décomposition orthogonale de A* vis-à-vis de u0 s'écrit alors :
A* = V u0 + c A avec u0.A = 0 |
V est le potentiel électrique relatif à O (en V ou kg.m2.s-3.A-1).
A est le potentiel magnétique relatif à O (en m-1.s.V ou kg.m.s-2.A-1).
Figures ci-dessus de gauche à droite : Enrico Fermi et Arthur Geoffray Walker
La quadri-rotation ou 4-rotation d'un corps quelconque de l'Espace-temps est l'unique Quadri-vecteur ω défini par la relation suivante [GOU, Relativité Restreinte, p. 86 à 91] :
d(eα)/dτ = ΩFW(eα) + Ωrot(eα) ΩFW(eα) = c (a.eα) u - c (u.eα) a Ωrot(eα) = ω xu eα |
τ est le Temps propre du corps
eα sont les quatre vecteurs de base du Référentiel local lié au corps, en choisissant en plus e1 tangent à la courbure a de la Ligne d'univers du corps (condition : e1 = a/||a||)
u et a sont respectivement les Quadri-vitesse et Quadri-accélération du corps
"xu" est l'opérateur Produit vectoriel entre deux vecteurs quelconques de l'Espace local de repos de l'observateur Eu, ce qui s'écrit : ω xu eα = Ε(u, ω, eα, .)
où :
Ε est le Tenseur de Levi-Civita
Ε(u, ω, eα, .) désigne le vecteur qui représente la Forme linéaire Ε(u, ω, eα, z) pour le Produit scalaire g.
ω a la dimension d'une vitesse angulaire (en s-1).
ΩFW est le Tenseur de Fermi-Walker. Il n'affecte que les composantes des vecteurs dans le plan (u, a) qui est le plan osculateur de la Ligne d'univers du corps.
Ωrot est le Tenseur de rotation spatiale. Puisque Ωrot(ω) = ω xu ω = 0, ce tenseur n'agit que dans le sous-espace (de dimension 2) de l'hyperplan vectoriel Eu orthogonal à ω. Autrement dit, Ωrot représente la rotation spatiale du trièdre (ei) dans le plan (de dimension 2) orthogonal à la fois à u et ω.
Propriétés :
- ω est orthogonal à u puisque appartenant à l'hyperplan vectoriel Eu : ω.u = 0
- ω est un vecteur du Genre espace : ω.ω ≥ 0.
- Pour α = 0, on a : e0 = u, a.u = 0, u.u = -1, ω xu u = Ε(u, ω, u, .) = 0, et on retrouve bien que : d(e0)/dτ = d(u)/dτ = c a
- On démontre que : ω = c T2 e1 + c T1 e3, T1 et T2 étant respectivement la première et la seconde torsion de la Ligne d'univers du corps (voir Référentiel local).
Voir Espace-temps.
La quadri-vitesse ou 4-vitesse d'un point quelconque x de l'Espace-temps est l'unique Quadri-vecteur unitaire u qui est tangent à la trajectoire du point et dirigé vers le futur. Ce vecteur sans dimension est défini par la relation suivante [GOU, Relativité Restreinte, p.36] :
u = (1/c) dx/dτ = ui ei |
où τ est le Temps propre du point
et ei sont les vecteurs de base de l'espace vectoriel de dimension 4.
Propriété :
u est un vecteur unitaire du Genre temps : u.u = -1
En géophysique, le référentiel céleste est un système de référence dont les axes orthogonaux (x, y, z) sont définis à l'aide de points de référence suffisamment lointains pour apparaître fixes sur la sphère céleste. Ces objets lointains sont des radio-sources extragalactiques.
Plusieurs référentiels célestes existent (cf [ZIEGLER, Modélisation, p.24]) :
Le Système de Référence Céleste International (English : International Celestial Reference System (ICRS)), adopté en 1997 par l'Union Astronomique Internationale (UAI), a pour origine le barycentre du Système Solaire, conformément à la Relativité Générale. Son pôle (axe z) se situe actuellement approximativement dans la direction de l'Etoile polaire (Polaris). L'origine des ascensions droites (axe x) est dans la direction définie à partir du quasar 3C 273, dans la direction du point vernal qui est la position du Soleil vu depuis la Terre à l'équinoxe de printemps. Le troisième axe (y) est orthogonal aux deux premiers et orienté de telle sorte que les trois axes forment un trièdre de sens direct.
Le Système de Référence Céleste Barycentrique (English : Barycentric Celestial Reference System (BCRS)), défini en 2000 et 2006 par l'UAI, se confond avec l'ICRS en terme d'orientation et d'origine mais définit en outre une Métrique relativiste pour le système de coordonnées. Le temps propre du BCRS s'appelle Temps-Coordonnée Barycentrique (TCB).
Le Système de Référence Céleste Géocentrique (English : Geocentric Celestial Reference System (GCRS)) diffère du BCRS par son origine qui est le centre de masse de la Terre. Le temps propre du GCRS s'appelle Temps-Coordonnée Géocentrique (TCG).
Ces trois référentiels ont en commun une orientation conventionnelle et théoriquement invariable (non-tournant par rapport aux étoiles). Ils ne suivent donc pas la rotation de la Terre au cours du temps comme le feraient les référentiels terrestres.
Parmi les référentiels terrestres, le standard actuel est le Système de Référence Terrestre International (English : International Terrestrial Reference System (ITRS)) qui est en co-rotation diurne avec la Terre et a pour origine son centre de masse. Le temps propre de l'ITRS s'appelle Temps Terrestre (TT).
En physique classique, un référentiel inertiel (appelé "système stationnaire" par Einstein [EIN Zur_Elektrodynamik]) est un référentiel dans lequel le principe d'inertie est vérifié, c'est-à-dire que tout corps matériel libre (sur lequel la résultante des forces est nulle) est en mouvement de translation rectiligne (sans rotation) et à vitesse uniforme, l'immobilité étant un cas particulier.
Un corps matériel en mouvement de rotation ou de translation non rectiligne ou de vitesse non uniforme constitue un référentiel non inertiel.
En Relativité Restreinte, un corps (ou Observateur) est dit "inertiel" lorsque son Référentiel local est constant le long de sa Ligne d'univers, c'est-à-dire vérifie la relation suivante [GOU, Relativité Restreinte, p.91, 92] :
d(eα)/dτ = 0 |
où τ est le Temps propre du corps
eα sont les quatre vecteurs de base du Référentiel local lié au corps.
Un corps est dit "inertiel" également lorsque à la fois sa trajectoire est une droite de l'Espace-temps de Minkowski (Quadri-accélération a nulle) et sa Quadri-rotation ω est nulle.
a et ω sont des quantités mesurables par l'observateur, contrairement à sa Quadri-vitesse u [GOU, Relativité restreinte, p.90].
En relativité Restreinte, le référentiel local lié à un corps (ou Observateur O) le long de sa Ligne d'Univers est un quadruplet de vecteurs (e0, e1, e2, e3) défini en tout point (ou événement) de cette ligne d'univers et vérifiant les propriétés suivantes [GOU, Relativité Restreinte, p.60, 79, 80] :
- (e0, e1, e2, e3) est une Base orthonormée et Directe, appelée tétrade de Serret-Frenet.
- e0 est tangent à la Ligne d'univers du corps (condition : e0 = u, où u est la Quadri-vitesse du corps).
- le champ (e0, e1, e2, e3) est de classe C1, c'est-à dire que la base (e0, e1, e2, e3) varie de façon infinitésimale lorsque l'on passe d'un point donné à un point voisin sur la ligne d'univers.
Les trois vecteurs e1, e2 et e3 sont donc orthogonaux à e0 = u. Ils appartiennent à l'Espace local de repos Eu de l'Observateur O (voir Figure ci-dessus).
A noter que l'on peut choisir e1 tangent à la courbure a de la Ligne d'univers du corps (condition : e1 = a/||a||), où a est la Quadri-accélération du corps. La longueur 1/||a|| est appelée rayon de courbure de la Ligne d'univers au point O.
Propriétés :
d(e0)/dτ = c a
d(e1)/dτ = c ||a|| e0 + c T1 e2
d(e2)/dτ = -c T1 e1 + c T2 e3
d(e3)/dτ = -c T2 e2
τ est le Temps propre du corps
T1 et T2 sont respectivement la première et la seconde torsion de la Ligne d'univers du corps.
La signature (-, +, +, +) du Tenseur métrique, appelée signature lorentzienne, signifie qu'il existe une base de l'espace vectoriel E telle que le Produit scalaire g(u,v) s'exprime en fonction des composantes ui et vj des vecteurs u et v sous la forme suivante [GOU, Relativité Restreinte, p.8] :
g(u,v) = -u0v0 + u1v1 + u2v2 + u3v3
Attention : Contrairement aux Conventions de signe classiques (MTW), certains auteurs utilisent la signature (+, -, -, -) au lieu de (-, +, +, +), ce qui revient à utiliser -g au lieu de g.
La convention classique (-, +, +, +) a l'avantage de ne pas distinguer entre Quadri-vecteurs et tri-vecteurs car le Produit scalaire induit par g sur les hyperplans du Genre espace (coupes tridimensionnelles à t = constante de l'Espace-temps) coïncide avec le produit scalaire euclidien de l'espace tridimensionnel.
En Relativité Restreinte, on démontre que deux événements situés en des lieux différents peuvent être simultanés dans un référentiel sans l'être dans un autre. La notion de simultanéité perd son caractère universel.
Démonstration : Soit deux événements simultanés (x1, y1, z1, t1) et (x2, y2, z2, t2 = t1) dans le référentiel R. Dans le référentiel R' en translation rectiligne uniforme par rapport à R, la durée (t'2 - t'1) entre ces deux mêmes événements s'écrit, compte tenu de la Transformation de Lorentz-Poincaré : t'2 - t'1 = γ ( (t2 - t1) - B (x2 - x1) ) = -γ B (x2 - x1) γ et B étant donnés par les équations (L3) et (L4). Lorsque les deux événements ne sont pas localisés aux mêmes points, la différence spatiale (x2 - x1) dans R n'est pas nulle. La différence temporelle (t'2 - t'1) dans R' n'est donc pas nulle malgré la simultanéité (t2 = t1) des deux événements dans R. |
Voir Convention de sommation (dite "convention d'Einstein").
Pour un espace vectoriel de dimension n ayant pour vecteurs de base l'ensemble (e1, e2... en), les symboles de Christoffel Γijk (dits "de seconde espèce") représentent l'évolution des vecteurs de base en fonction de leur dérivée partielle. En utilisant la Convention de dérivée partielle et la Convention de sommation, cela s'écrit :
ej,k = Γijk ei |
Attention : Bien que possédant trois indices, les symboles de Christoffel de seconde espèce ne sont pas des Tenseurs mixtes d'ordre 3 car ils ne vérifient pas les critères de Tensorialité. On ne peut pas, par exemple, réaliser l'abaissement d'indice : Γjik = glj Γlik, ce qui est faux vu que : glj Γlik = Γijk
En revanche, ces symboles apparaissent abondamment dans des expressions qui représentent des Tenseurs (par exemple : Dérivée covariante, Divergence, Tenseur de Ricci).
Γijk peut s'exprimer en fonction des vecteurs de base de l'espace Dual :
Γijk = ei.ej,k Démonstration : ei.ej,k = ei.(Γijk ei) = Γijk δii = Γijk où δ est le Symbole de Kronecker. |
A noter qu'il existe d'autres symboles de Christoffel Γijk (dits "de première espèce") définis par les relations :
Γijk = glj Γlik = Γkji Γijk = gil Γjlk = Γikj Attention : Pour Γijk, il existe une variante avec la définition différente suivante (en inversant l'ordre des indices i et j) : Γijk = gli Γljk = Γikj |
Γijk et Γijk peuvent s'exprimer en fonction des composantes gij du Tenseur métrique :
Γijk = (1/2) (gij,k + gjk,i - gik,j) Γijk = (1/2) gil (glk,j + glj,k - gjk,l) Démonstration : En dérivant gij = ei.ej par rapport à xk, on obtient : gij,k = (ei,k).ej + ei.(ej,k) = (Γlik el).ej + ei.(Γljk el) D'où le résultat : gij,k = Γlik glj + Γljk gil Une permutation circulaire des trois indices i, j, k donne alors les deux égalités suivantes : gki,j = Γlkj gli + Γlij gkl gjk,i = Γlji glk + Γlki gjl Ce qui donne ensuite par combinaison linéaire : (D) gij,k + gki,j - gjk,i = 2 Γlkj gil En inversant les rôles de i et j dans la relation (D), on obtient : gij,k + gkj,i - gik,j = 2 Γlki gjl Compte-tenu des Symétries de Γlki et de gjl, on obtient finalement : Γijk = glj Γlik = (1/2) (gij,k + gjk,i - gik,j) En multipliant les deux membres de la relation (D) par gmi et en utilisant la relation gmi gil = δml, on obtient : Γmkj = (1/2) gmi (gij,k + gki,j - gjk,i) En renommant les indices (i en l et m en i), on obtient finalement : Γijk = (1/2) gil (glk,j + glj,k - gjk,l) |
Propriétés :
Γijk est Symétrique par rapport aux deux indices extrêmes : Γijk = Γkji
Γijk est Symétrique par rapport aux indices inférieurs : Γijk = Γikj
Dérivée de la métrique : gij,k = Γijk + Γjik
Contraction des indices (cf [GOU, Relativité restreinte, p.506]) : Γiji = (-g)-1/2 ((-g)1/2),j
avec : g = Déterminant de la matrice gij associée au Tenseur métrique g
Les symboles de Christoffel ne sont tous nuls que dans le cas particulier de la Relativité Restreinte (Métrique de Minkowski) avec coordonnées cartésiennes, pour lequel les composantes gij sont toutes constantes.
L'expression du symbole δ de Kronecker est la suivante :
δij = δij = δij = 1 si i = j et 0 sinon. |
Attention : Le symbole de Kronecker n'est pas un Tenseur. On ne peut pas, par exemple, réaliser l'abaissement d'indice : δij = gik δkj, ce qui est faux vu que : gik δkj = gij
Propriété :
Remplacement d'indice dans un Tenseur quelconque T : Tjk = δij Tik
L'expression du symbole de Levi-Civita ε est la suivante (à ne pas confondre avec le Tenseur de Levi-Civita) :
εijkl... = εijkl... = 0 si deux indices ou plus (i,j,k,l...) sont égaux +1 si (i,j,k,l...) est une permutation paire de (0,1,2,3...) -1 si (i,j,k,l...) est une permutation impaire de (0,1,2,3...) |
Quand deux indices quelconques, égaux ou non, sont interchangés, le symbole est multiplié par -1 : ε...i...l... = -ε...l...i...
Pour 3 indices (i,j,k) on a :
εijk = +1 pour 012 ou 120 ou 201
εijk = -1 pour 021 ou 102 ou 210
Pour 4 indices (i,j,k,l) on a :
εijkl = +1 pour 0123 ou 0231 ou 0312 ou 1032... ou 3210
εijkl = -1 pour 0132 ou 0213 ou 0321 ou 1023... ou 3201
ε permet d'exprimer certaines opérations vectorielles sous forme compacte. Dans un espace vectoriel de dimension 3 et avec la Convention de sommation, on peut écrire par exemple :
- Produit vectoriel (w = u x v) de composantes : wi = εijk uj vk
- Rotationnel (w = rot(u)) de composantes : wi = εijk uk,j
- Déterminant (d = det(u,v,w)) de composante : d = εijk ui vj wk = εijk ui vj wk
En général, un Tenseur n'est ni symétrique, ni antisymétrique.
Tenseur d'ordre 2
Un Tenseur Tab est dit symétrique lorsque : Tab = Tba
Un Tenseur Tab est dit antisymétrique lorsque : Tab = -Tba
Tout Tenseur Tab peut s'exprimer comme somme d'un Tenseur symétrique Sab et d'un Tenseur antisymétrique Aab tels que :
Sab = (1/2)(Tab + Tba)
Aab = (1/2)(Tab - Tba)
Tenseur d'ordre supérieur à 2
Un Tenseur est dit symétrique (resp. antisymétrique) par rapport à un couple d'indices de même variance (i.e. tous covariants ou contravariants) si la permutation de ces indices conserve (resp. change en son opposée) chaque composante du Tenseur.
Le Tenseur est dit complètement symétrique (resp. complètement antisymétrique) s'il est symétrique (resp. antisymétrique) par rapport à tout couple d'indices de même variance.
Exemples pour le Tenseur Tklmij :
- si Tklmij = Tkmlij, alors il est symétrique par rapport à l et m.
- si Tklmij = Tklmji, alors il est symétrique par rapport à i et j.
- si Tklmij = -Tkmlij, alors il est antisymétrique par rapport à l et m.
- si Tklmij = -Tklmji, alors il est antisymétrique par rapport à i et j.
- si Tklmij = Tkmlij = Tmlkij = Tlkmij, alors il est complètement symétrique par rapport à ses indices contravariants.
- si Tklmij = -Tkmlij = -Tmlkij = -Tlkmij, alors il est complètement antisymétrique par rapport à ses indices contravariants.
Le temps cosmique est le temps propre d'un Observateur au repos dans un univers cosmologique qui est, à l'exception d'irrégularités locales, homogène et isotrope.
C'est le temps utilisé dans les équations de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.
C'est aussi le temps propre commun à toutes les galaxies dans la mesure où elles sont toutes Comobiles avec l'Observateur [Andrillat, Théorie Partie 2].
Temps propre et temps apparent
Temps propre et temps apparent sont deux temps distincts mesurés dans des conditions différentes.
Chaque corps de référence (particule, individu, planète, étoile, Observateur...) a son temps propre. Ce temps propre (ou temps local ou vrai) est le temps (τ) mesuré dans le référentiel où le corps est immobile.
A l'inverse, le temps apparent (ou temps-coordonnée ou temps impropre ou relatif ou observé) est le temps (t) mesuré dans un référentiel mobile par rapport à ce référentiel propre.
A noter que le temps apparent t n'a pas de sens physique (mesurable directement) [GOU, Relativité Générale, p.35] [EIS Lumière, p.7]. La seule chose qui fait sens, c'est la comparaison de temps propre mesurée par deux Observateurs et à condition d'étudier comment ils s'échangent l'information [UZA Le temps en Relativité, pp 30 et 39].
Les mesures sont réalisées par des horloges fixes dans leur référentiel et dont le mécanisme interne est généralement insensible au mouvement des référentiels. Une horloge atomique constitue une horloge idéale car le temps qu'elle fournit ne dépend quasiment pas des accélérations subies qui sont très faibles par rapport à l'accélération centripète d'un électron autour de son noyau atomique (de l'ordre de 1023 m.s-2).
Le temps propre τ d'une particule matérielle le long de sa trajectoire est définie par la relation suivante et correspond physiquement au temps mesuré par une horloge entraînée par la particule matérielle le long de sa Ligne d'univers [GOU, Relativité Générale, p.35].
dτ = (1/c) (-ds2)1/2 |
où ds2 est la Métrique relativiste.
Durée propre et durée apparente
En Relativité Restreinte, pour un référentiel donné, la durée propre (d0) est l'intervalle de temps qui sépare deux événements se produisant en un même lieu de ce référentiel. Dans tout autre référentiel, la durée est supérieure à la durée propre et s'appelle durée apparente (d).
Certains auteurs parlent à ce propos de Dilatation des durées. Cette appellation est maladroite car elle évoque une modification physique de l'horloge alors que les horloges ne subissent aucune modification physique : elles se contentent de mesurer des temps propres différents (à cause de la structure de l'espace-temps) sans que leur fréquence propre soit affectée [SPA, Comment].
C'est le nombre de secondes qui varie d'une horloge à l'autre, et non la seconde qui se contracte ou se dilate [SPA, L'expérience].
Temps biologique
Voir Paradoxe des jumeaux.
Démonstration de la relation : d > d0 [ANN Electricité_2] : Soient deux événements se produisant dans le référentiel R en un même lieu de coordonnées (x, y, z) mais à des instants différents t1 et t2. La durée (propre) les séparant est : d0 = t2 - t1. Pour un Observateur du référentiel R' en translation rectiligne uniforme à la vitesse v par rapport à R, les événements se produisent aux instants t1' et t2' donnés par la Transformation de Lorentz-Poincaré : t1' = γ (t1 - B x) t2' = γ (t2 - B x) et séparés par la durée (apparente) : d = t2' - t1' = γ (t2 - t1) = d0 / (1 - v2 c-2)1/2 D'où : d > d0 |
Les temps standards les plus courants sont les suivants :
- Le temps moyen de Greenwich (English : Greenwich Mean Time (GMT)) correspond à l'heure du méridien de Greenwich en Angleterre (0° de longitude). Le terme "moyen" fait référence au fait que midi GMT est le moment en moyenne chaque année où le Soleil culmine au méridien de Greenwich. Ce temps, relativement peu précis car lié à la variation de vitesse de rotation de la Terre et à l'ellipticité de son orbite, a été utilisé jusqu'en 1972.
- Le Temps Universel (TU) (English : Universal Time (UT)) remplace le temps moyen de Greenwich (GMT) avec une différence, car le GMT était calculé sur midi et le TU sur minuit.
- Le Temps Terrestre (TT) (English : Terrestrial Time (TT)) est le temps propre d'un observateur fixe à la surface de la Terre. TT tient compte des effets relativistes (Effet Einstein en Relativité Générale et Dilatation des durées en Relativité Restreinte). TT est donné par la Métrique relativiste suivante [GOU, Relativité Générale, p.207] :
d(TT) = c-1 (-gij dxi dxj)1/2
où :
gij = composantes du Tenseur métrique au voisinage de la Terre (avec champ gravitationnel ψ faible)
xi = coordonnées de l'observateur dans l'Espace-temps du Référentiel céleste GCRS (avec t = TCG)
La Terre (avec RTerre = 6378 km) tournant autour de l'axe θ = 0 à la vitesse angulaire dφ/dt = ΩTerre = 2 π / (23 h 56 mn) = 7.29 10-5 rad.s-1, les coordonnées xi d'un observateur de colatitude θ0 valent :
x0 = ct
x1 = r0
x2 = θ0
x3 = φ0 + ΩTerre t
Le temps TT ne diffère du temps TCG que d'un facteur constant indépendant de la position sur la Terre [GOU, Relativité Générale, p.208] :
d(TT) = (1 + c-2 U0) dt
U(r, θ, φ) = ψ(r, θ, φ) - (1/2) ( ΩTerre r sin[θ] )2
U0 = U(r0 = RTerre, θ0 = π/2, φ0) = -6.969 10-10 c2
- Le Temps Atomique International (TAI) (English : International Atomic Time (IAT)) est calculé d'après la comparaison des Temps Terrestres d'environ 300 horloges atomiques dans le monde. Le TAI est placé sous la responsabilité du Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) (English : International Bureau of Weights and Measures (IBWM)).
- Le Temps Universel Coordonné (TUC) (English : Universal Time Coordinated (UTC) or Zulu Time or Z time) diffère du TAI par un nombre entier de secondes, actuellement 37 depuis 1972, de manière à coller au temps TU à moins de 0,9 seconde près. Ces secondes intercalaires sont ajoutées à l'initiative du Service International de la Rotation de la Terre et des Systèmes de Référence (English : International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS)) pour garantir que, en moyenne au cours des ans, le Soleil culmine au méridien de Greenwich à 12:00:00 UTC à 0,9 seconde près.
Le terme "tenseur" fut introduit par le physicien Woldemar Voigt pour représenter mathématiquement les tensions dans un solide (voir Figure ci-dessus).
Définition pragmatique :
La notion de tenseur est une généralisation de la notion de vecteur en tant qu'objet mathématique invariant par changement de base.
Un tenseur est une fonction multilinéaire des coordonnées de l'espace, défini dans un espace vectoriel à n dimensions par nm composantes, où m est l'ordre du tenseur.
Le tenseur d'ordre 0 est un scalaire (nombre indépendant de la base choisie) et a une seule composante.
Le tenseur d'ordre 1 est un vecteur à n composantes. A noter que, lors d'un changement de base, les composantes d'un vecteur changent alors que le vecteur lui-même ne change pas.
Le tenseur d'ordre 2 est une matrice carrée à n2 composantes qui vérifie l'un quelconque des critères de Tensorialité.
Le tenseur d'ordre 3 est une matrice cubique à n3 composantes qui vérifie l'un quelconque des critères de Tensorialité.
Tout tenseur possède également une valence ou type noté (p, q) où p est le nombre d'indices contravariants (indiqués en position supérieure) et q le nombre d'indices Covariants (indiqués en position inférieure), tels que : m = p + q
Pour un tenseur quelconque T, ses composantes peuvent être contravariantes (exemple : Tijk), covariantes (exemple : Tijk) ou mixtes (exemple : Tijk est un tenseur mixte d'ordre 3 avec un indice contravariant i et deux indices covariants j et k).
Le calcul tensoriel a pour avantage de se libérer de tous les systèmes de coordonnées et les résultats des développements mathématiques sont ainsi invariants par changement de référentiel (voir Covariance d'une loi physique).
Définition mathématique [GOU, Relativité Restreinte, p.472 et 21] :
Un tenseur (T) est une application multilinéaire d'un Espace vectoriel (E) et de son espace Dual (E*) vers le corps des nombres réels (R).
Si ω1, ... ,ωp et v1, ... ,vq désignent respectivement des Formes linéaires ω de l'espace dual E* et des vecteurs v de l'espace E (de dimension n), alors tout tenseur de type (p, q) est une application T(ω1, ... ,ωp, v1, ... ,vq) de E*p x Eq dans R, qui est linéaire par rapport à chacun de ses m arguments (m = p + q).
Pour tout scalaire λ et argument a, on a les identités suivantes :
T(ω1, ... ,λ a + a', ... ,vq) = λ T(ω1, ... ,a , ... ,vq) + T(ω1, ... ,a', ... ,vq) |
Dans les livres anciens, un tenseur est défini non pas comme une application multilinéaire mais comme un tableau de "nombres" T i1... ip j1... jq qui se transforme suivant la loi générale de transformation lors d'un Changement de base.
Exemples de tenseur :
- Exemple simple dans un espace vectoriel E de dimension 3 (les opérateurs . et x désignant respectivement le produit scalaire et le produit vectoriel) :
L'application T qui fait correspondre au triplet de vecteurs (u, v, w) le scalaire : 5 u.(v x 2 w) est un tenseur d'ordre 3.
L'application A qui fait correspondre au triplet de vecteurs (u, v, w) le scalaire : 5 u.(v + 2 w) n'est pas un tenseur. Elle n'est pas linéaire par rapport à ses second et troisième arguments.
- Un scalaire s est un tenseur de type (0, 0).
- Un vecteur v est un tenseur de type (1, 0).
- Une Forme linéaire ω est un tenseur de type (0, 1).
- Le Tenseur métrique g et le Tenseur électromagnétique F sont des tenseurs de type (0, 2).
- Le Tenseur de courbure Rijkl est un tenseur de type (1, 3).
- Le Tenseur de Levi-Civita Ε est un tenseur de type (0, 4).
Composantes d'un tenseur [GOU, Relativité Restreinte, p.474, 475] :
En vertu de la multilinéarité de T, les np + q composantes de T s'expriment en fonction des vecteurs de la base {ej} et des éléments de la base Duale {ei} comme suit :
T i1... ip j1... jq = T(ei1, ... ,eip, ej1, ... ,ejq) et on a la relation générale : T(ω1, ... ,ωp, v1, ... ,vq) = T i1... ip j1... jq (ω1)i1... (ωp)ip (v1)j1... (vq)jq |
Le tenseur d'Einstein est le Tenseur ayant pour expression : Rab - (1/2) gab R
Il correspond au Tenseur d'Einstein modifié sans le terme de la constante cosmologique (Λ gab).
Le tenseur d'Einstein modifié (Sab = Rab - (1/2) gab R + Λ gab) est le Tenseur d'Einstein modifié par rajout du terme de la constante cosmologique (Λ gab).
Il mesure la déformation locale de la chronogéométrie de l'Espace-temps et représente sa courbure en un point donné. C'est un Tenseur d'ordre 2, Symétrique et à Divergence nulle (Sab;a = 0).
Ses composantes sont données dans L'équation d'Einstein.
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes sont de dimension m-2.
Démonstration de la Divergence nulle du Tenseur d'Einstein modifié [GOU, Relativité générale, p.111][BOU, Relativité générale, chap. XI, p.21] : Sij;i = 0 La seconde identité de Bianchi s'écrit : (D1) Rijkl;m + Rijlm;k + Rijmk;l = 0 En contractant cette identité sur les indices i et k, et en utilisant la définition du Tenseur de Ricci (Rij = Rkikj), on obtient : (D2) Rjl;m + Rkjlm;k + Rkjmk;l = 0 En utilisant la propriété d'Antisymétrie du Tenseur de courbure (Rijkl = -Rijlk) et à nouveau la définition du Tenseur de Ricci, le dernier terme s'écrit : (D3) Rkjmk;l = -Rkjkm;l = -Rjm;l Compte-tenu de la Dérivé covariante nulle du Tenseur métrique (gjl;m = gjl;k = gjl;l = 0), la relation (D2) contractée avec gjl devient : (D4) (gjl Rjl);m + (gjl Rkjlm);k - gjl Rjm;l = 0 La partie entre parenthèses du premier terme est la Courbure scalaire : R = gjl Rjl La partie entre parenthèses du second terme se simplifie comme suit : (D5) gjl Rkjlm = gjl (gpk Rpjlm) = -gjl (gpk Rjplm) = -gpk (gjl Rjplm) = -gpk Rlplm = -gpk Rpm La relation (D4) devient : (D6) R;m - (gpk Rpm);k - gjl Rjm;l = 0 Compte-tenu de la Dérivée covariante nulle du Tenseur métrique (gpk;k = gjl;l = 0), la relation (D6) devient : (D7) R;m - gpk Rpm;k - gjl Rjm;l = 0 Les indices p et k étant muets, les deux derniers termes sont identiques et la relation (D7) devient : (D8) R;m - 2 gjl Rjm;l = 0 Compte-tenu de la symétrie du Tenseur de Ricci (Rjm = Rmj) et en effectuant le changement de notation l → k et m → i, on obtient : (D9) gjk Rij;k - (1/2) R;i = 0 Puisque R;i = gki R;k = gij gjk R;k = gjk (gij R);k, il vient en final : (D10) gjk Rij;k - (1/2) gjk (gij R);k = gjk (Rij - (1/2) R gij);k = 0 La relation (D10) représente une somme pondérée pour tout choix de i (les indices j et k étant muets). La métrique gjk n'étant pas dégénérée, cette somme ne peut être nulle que si chaque terme de la somme est nulle. La relation (D10) se simplifie donc en : (D11) (Rij - (1/2) R gij);k = 0 En contractant l'indice i avec l'indice de dérivation k, on obtient : (Rij - (1/2) gij R);i = 0 Compte-tenu de la linéarité de l'opérateur Divergence, la Divergence du Tenseur d'Einstein modifié s'écrit : Sij;i = (Rij - (1/2) gij R);i + Λ gij;i = Λ gij;i Compte-tenu de la Divergence nulle du Tenseur métrique gij, on obtient finalement : (D11) Sij;i = 0 |
Figures ci-dessus de gauche à droite : Georg Friedrich Bernhard Riemann et Elwin Bruno Christoffel
Le tenseur de courbure est un Tenseur d'ordre 4. C'est la mesure la plus complète possible de la déformation locale d'un Espace-temps courbe. Il comporte 44 = 256 composantes.
Selon les Conventions de signe classiques (MTW), et en utilisant la Convention de dérivée partielle, ses composantes ont pour expression :
Rijkl = Γijl,k - Γijk,l + Γimk Γmjl - Γiml Γmjk |
où Γijk sont les Symboles de Christoffel.
Le nombre de composantes indépendantes du tenseur de courbure est égal à 20 (au lieu de 256).
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes sont de dimension m-2.
L'Espace-temps est dit "plat" quand le tenseur de courbure est nul.
Attention : Contrairement aux Conventions de signe classiques (MTW), certains auteurs définissent le Tenseur de courbure par l'opposé du Tenseur de courbure ci-dessus [GOU, Relativité générale, p.110].
Propriétés :
Rijkl est Antisymétrique par rapport aux deux derniers indices : Rijkl = -Rijlk
Rijkl est Antisymétrique par rapport aux deux premiers et deux derniers indices : Rijkl = -Rjikl = -Rijlk
Rijkl est Symétrique par rapport aux deux paires d'indices extrêmes : Rijkl = Rklij = Rjilk
où : Rijkl = gim Rmjkl
Première identité de Bianchi : Rijkl + Riklj + Riljk = 0, également écrit sous forme condensée : Ri[jkl] = 0
Seconde identité de Bianchi : Rijkl;m + Rijlm;k + Rijmk;l = 0, également écrit sous forme condensée : Rij[kl;m] = 0
Identité de Ricci :
Pour tout vecteur v Contravariant, on a : Rijkl vj = vi;l;k - vi;k;l
Ainsi, le tenseur de courbure mesure la non-commutativité des doubles Dérivées covariantes [GOU, Relativité générale, p.109].
Autre identité [SEN, Relativité générale, p.62] :
Pour tout Tenseur T doublement Contravariant, on a : Rijkl Tjm + Rmjkl Tij = Tim;l;k - Tim;k;l
Le tenseur de Levi-Civita Ε est un Tenseur d'ordre 4 qui s'écrit, pour tout quadruplet de vecteurs (u, v, w, z), sous la forme suivante [GOU, Relativité Restreinte, p.20, 21, 482 à 487] :
Ε(u, v, w, z) = μ (-g)1/2 εijkl ui vj wk zl μ = 1 ou -1 selon que la base est respectivement Directe ou indirecte g = Déterminant de la matrice gij associée au Tenseur métrique g εijkl = Symbole de Levi-Civita à 4 indices |
Ses 256 composantes dans une base quelconque {ei} sont les suivantes :
En composantes covariantes : Εijkl = μ (-g)1/2 εijkl En composantes contravariantes : Εijkl = -μ (-g)-1/2 εijkl |
Propriétés :
- Ε est Antisymétrique (ou alterné) : la quantité Ε(u, v, w, z) vaut 0 lorsque deux de ses arguments sont égaux. Par exemple : Ε(u, v, u, w) = 0
- Dans toute Base orthonormée et Directe : Ε(u, v, w, z) = det(u, v, w, z)
- Ε n'a en fait qu'une seule composante indépendante Ε0123 = μ (-g)1/2
- La quantité (Εijkl Εijkl) est égale à -24
- Si ei sont les vecteurs de base : Ε(e0, e1, e2, e3) = μ (-g)1/2
- Dans toute Base orthonormée : Ε(e0, e1, e2, e3) = μ
Le tenseur de Ricci (Rab) est un Tenseur Symétrique d'ordre 2 obtenu par Contraction du Tenseur de courbure. C'est donc un Tenseur qui mesure la déformation locale de l'Espace-temps mais de façon incomplète.
Selon les Conventions de signe classiques (MTW), il s'obtient par Contraction du Tenseur de courbure sur les premier et troisième indices. En utilisant la Convention de dérivée partielle, ses composantes sont les suivantes :
Rij = Rkikj = Γkij,k - Γkik,j + Γkkl Γlij - Γkjl Γlik |
où Γijk sont les Symboles de Christoffel.
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes sont de dimension m-2.
Attention : le Tenseur de Ricci peut être nul sans que le Tenseur de courbure ne le soit.
Attention : Contrairement aux Conventions de signe classiques (MTW), certains auteurs contractent le Tenseur de courbure sur les premier et quatrième indices, ce qui revient à définir l'opposé du Tenseur de Ricci.
Les notations sont celles du paragraphe Equations de Maxwell
En Relativité Restreinte, la force de Lorentz (F_LORENTZ = q (E + v x B)) s'écrit sous une forme tensorielle dont les composantes sont les suivantes [GOU, Relativité Restreinte, p.538] :
fi_LORENTZ = q Fij uj |
où f_LORENTZ est la Quadri-force de Lorentz et u la Quadri-vitesse de la particule.
Fij est le tenseur électromagnétique. C'est un tenseur Antisymétrique d'ordre 2.
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes sont de dimension m-1.V ou C-1.N ou kg.m.s-3.A-1.
Dans le Référentiel local de l'Observateur, et en prenant la convention de Signature (-, +, +, +), ces composantes s'écrivent [GOU, Relativité Restreinte, p.541] comme suit :
Fij = -δ0i Ej + Ei δ0j + c ε0kij Bk ou sous forme matricielle : Fii pour i ≥ 0 = 0 Fi0 pour i > 0 = -F0i = Ei F21 = -F12 = -c B3 F31 = -F13 = c B2 F32 = -F23 = -c B1 |
avec :
Ei = composantes spatiales du champ électrique E
Bi = composantes spatiales du champ magnétique B
δij = Symbole de Kronecker
εijkl = Symbole de Levi-Civita à 4 indices
Par élévation d'indice (voir Opérateurs élémentaires sur les tenseurs), on obtient les composantes des Tenseurs Fij et Fij sous la forme suivante [GOU, Relativité Restreinte, p.543] :
Fij = gik_MINK Fjk
Fii pour i ≥ 0 = 0
Fi0 pour i > 0 = F0i = Ei
F21 = -F12 = -c B3
F31 = -F13 = c B2
F32 = -F23 = -c B1
Fij = gil_MINK Fjl
Fii pour i ≥ 0 = 0
Fi0 pour i > 0 = -F0i = -Ei
F21 = -F12 = -c B3
F31 = -F13 = c B2
F32 = -F23 = -c B1
gij_MINK sont les composantes inverses de la Métrique de Minkowski.
Le tenseur Energie-Impulsion (Tab) peut prendre des formes très variées selon la distribution de matière ou d'énergie. En exemple : le tenseur du fluide parfait ou celui de l'électromagnétisme.
Ses composantes ont la signification suivante [GOU, Relativité Générale, p.112] :
T00 : densité d'énergie mesurée par l'Observateur Ti0 = T0i pour i > 0 : (-c) fois la composante i de la densité de l'impulsion relativiste (densité de quantité de mouvement) ou (-1/c) fois la composante i du flux d'énergie (vecteur de Poynting φ pour un champ électromagnétique), mesurée par l'Observateur Tij pour i et j > 0 : composantes spatiales du tenseur des contraintes (Sij) mesuré par l'Observateur |
C'est un Tenseur d'ordre 2, Symétrique et construit de telle manière que sa Divergence nulle (Tab;a = 0) exprime, en mécanique des milieux continus, les deux lois de conservation de l'impulsion et de l'énergie (3 équations pour le vecteur impulsion et une équation pour l'énergie).
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes sont de dimension N.m-2 ou kg.m-1.s-2
Les notations sont celles du paragraphe Equations de Maxwell
Les composantes du tenseur Energie-Impulsion (Tij_EM) du champ ElectroMagnétique sont les suivantes [GOU, Relativité Restreinte, p.635] :
Tij_EM = ε0 (Fim Fmj - (1/4) gij Fkl Fkl) |
où Fij est le Tenseur électromagnétique.
En Relativité Restreinte (Métrique de Minkowski), les calculs donnent en coordonnées cartésiennes [GOU, Relativité Restreinte, p.636] :
T00_EM = densité d'énergie = (1/2) ε0 (E.E + c2 B.B)
Ti0_EM = T0i_EM pour i > 0 correspondant à (-1/c) fois φ avec φ = vecteur de Poynting = (1/ μ0) E x B
Tij_EM pour i et j > 0 correspondant à Sij = ε0 ( (1/2) (E.E + c2 B.B) δij - (Ei Ej + c2 Bi Bj) )
où δ est le Symbole de Kronecker.
Propriétés :
La trace T_EM du tenseur Tij_EM est nulle. On a en effet : T_EM = gij Tij_EM = ε0 (Fim gij Fmj - (1/4) gij gij Fkl Fkl) = ε0 (Fim Fim - (1/4) 4 Fkl Fkl) = 0
Un fluide est dit "parfait" quand on peut négliger les effets de viscosité et de conduction thermique, ce qui est le cas en cosmologie où l'expansion de l'univers est supposée adiabatique (sans échange de chaleur avec l'extérieur).
Les composantes du tenseur Energie-Impulsion (Tij_PF) du Fluide Parfait sont les suivantes [GOU, Relativité Générale, p.114] :
Tij_PF = (ρ c2 + p) ui uj + p gij |
où :
ρ c2 et p représentent respectivement la densité d'énergie et la pression du fluide, toutes deux mesurées dans le référentiel du fluide.
u est le champ unitaire qui représente en chaque point la Quadri-vitesse d'une particule de fluide (avec ui = gik uk et uj = gjk uk).
Lorsque l'Observateur est Comobile avec le fluide, les calculs donnent en coordonnées cartésiennes [GOU, Relativité Générale, p.114] :
T00_PF = ρ c2
Ti0_PF pour i > 0 = T0i_PF = 0
Tij_PF pour i et j > 0 correspondant à Sij = p δij
où δ est le Symbole de Kronecker.
Le Fluide Parfait satisfait à la condition d'énergie faible lorsque : (ρ ≥ 0) et (ρ c2 + p ≥ 0), et à la condition d'énergie dominante lorsque : (ρ c2 ≥ |p|).
Pour un espace vectoriel E de dimension n ayant pour vecteurs de base l'ensemble (e1, e2... en), on note le Produit scalaire de deux vecteurs de base sous la forme :
gij = ei.ej |
Le tenseur métrique est le Tenseur gij d'ordre 2 ayant pour composantes ces gij. C'est une application bilinéaire de Signature donnée, qui fait correspondre au couple de vecteurs (u, v) le scalaire : u.v
gij est un Tenseur Symétrique et à Divergence nulle (gab;a = 0). Ses 16 composantes gij (pour i et j pris entre 0 et 3) sont appelées potentiels de gravitation. Ce sont des fonctions de x, y, z et t
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes sont sans dimension.
Le tenseur métrique inverse est le Tenseur gij tel que :
gij gjk = gik = δik |
où δ est le Symbole de Kronecker.
La composante gij peut se calculer comme suit (règle de Cramer) :
gij = Cofacteur_ji / g
avec g = Déterminant de la matrice gij
Cofacteur_ij = (-1)i+j Mineur_ij
Mineur_ij = Déterminant de la sous-matrice obtenue en supprimant la ligne i et la colonne j dans la matrice gij
Propriétés :
Dualité : gij = ei.ej
gij gij = n
gij;k = gij;k = 0
gij gij,k = -gij gij,k
g < 0 dans n'importe quelle base vectorielle [GOU, Relativité Restreinte, p.484].
Démonstration de la relation : gij;k = 0 Attention : Cette démonstration, apparemment simple, est souvent fausse dans les ouvrages de Relativité, le Symbole de Christoffel Γijk n'étant pas un Tenseur. gij;k = gij,k - glj Γlik - gli Γljk = gij,k - Γijk - Γjik = gij,k - (1/2) (gij,k + gjk,i - gik,j) - (1/2) (gji,k + gik,j - gjk,i) = gij,k - (1/2) (2 gij,k) = 0 |
Tout objet mathématique vérifiant l'un des critères de tensorialité suivants est un Tenseur.
Critère n°1 : tout objet défini de façon intrinsèque en tant que forme multilinéaire (voir Tenseur).
Critère n°2 : tout tableau de nombres qui se transforme lors d'un Changement de base selon la loi générale de transformation.
Critère n°3 : tout résultat d'une Opération élémentaire ou d'une combinaison d'opérations élémentaires sur des Tenseurs (Somme, Produit... Dérivée covariante... Changement de base).
Voir Ligne d'univers.
Voir Transformation de Lorentz-Poincaré
Voir Transformation de Lorentz-Poincaré
Un trou de ver est une solution de l'Equation d'Einstein dans laquelle le Tenseur Energie-Impulsion est particulier, permettant de créer un raccourci dans l'Espace-temps.
La matière qui remplit l'Espace-temps du trou de ver est une matière dite "exotique" (non constatée à ce jour) qui viole la condition d'énergie faible [GOU, Relativité Générale, p.259].
Un trou noir est un objet céleste si compact que l'intensité de son champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s'en échapper.
Ce phénomème fut prédit en 1916 par Karl Schwarzschild.
La première image directe d'un trou noir fut publiée en 2019 par le télescope Event Horizon Telescope (EHT), collaboration internationale.
Le trou noir ordinaire (dit "trou noir stellaire") se forme suite à la succession de plusieurs évènements :
- Effondrement (implosion) d'une étoile massive en fin de vie, sous l'effet de la gravité qui n'est plus contrebalancée par les réactions de fusion nucléaire.
- Explosion où les couches externes de l'étoile sont expulsées dans l'espace sous forme intense et lumineuse (supernova).
- Effondrement gravitationnel du résidu du noyau après l'explosion si ce dernier a une masse suffisante, ce qui conduit à la formation d'un trou noir.
Le trou noir statique (sans rotation) est décrit par la Métrique de Schwarzschild.
Le trou noir en rotation non chargé électriquement est décrit par la Métrique de Kerr qui généralise celle de Schwarzschild [GOU, Relativité Générale, p.132].
Le trou noir en rotation chargé électriquement est décrit par la Métrique de Kerr-Newman qui généralise aussi celle de Schwarzschild [GOU, Relativité Générale, p.132].
Les auteurs cités dans cette page sont mentionnés entre crochets sous la forme [AUTEUR Titre Page].