Mise à jour le 6 Juin 2009
 
CONFÉRENCE
"EINSTEIN AVAIT-IL RAISON?"
Par Clifford WILL
Professeur de Physique Washington Univ. St Louis Miss., IAP
Organisée par l'IAP
98 bis Av Arago, Paris 14ème
 
Le mardi 2 Juin 2009 à 19H30
 
Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos
Vidéo de la conférence par le CERIMES disponible sur leur site quelques jours après (le CERIMES propose aussi toutes les vidéos des conférences IAP) :      voir : http://www.cerimes.fr/
 
 
 
BREF COMPTE RENDU
 
 
 
 
 
Clifford Will est un astronome physicien Canadien, professeur à l'Université Washington à St Louis, Missouri (USA), spécialisé dans la relativité générale, les ondes gravitationnelles et les trous noirs.
 
 
Il nous parle ce soir d'Einstein et de sa théorie de la relativité qui a à jamais changé nos idées de l'espace et du temps.
 
 
En fait, pour lui (et pour l'écrivain Paul Johnson), le XXème siècle commence le 29 Mai 1919.
 
Pourquoi donc cette date??
 
 
 
 
C'est en effet, à cette date que s'est produit une éclipse totale de Soleil au Brésil, qui confirma la théorie de la Relativité Générale (RG) d'Einstein : une masse importante faisait dévier les rayons lumineux. La physique venait de changer!
 
 
C'est une sensation internationale, Einstein devient immédiatement célèbre dans le monde entier.
 
En démarrant en haut à gauche et en tournant dans le sens des aiguilles d'une montre :
Einstein avec Leo Szillard écrivant la fameuse lettre à Roosevelt qui va être à l'origine du projet Manhattan ; Einstein jouant du violon; la langue d'Einstein!; ovation pour Albert Einstein; Einstein et Charlie Chaplin; mais oui il savait faire de la bicyclette aussi; E et les indiens Hopis; E et Ben Gourion, il refusa (au grand soulagement de tout le monde paraît-il) le poste de premier Président d'Israël.
 
 
 
 
 
Comment cela avait il commencé?
 
En 1905 Einstein, obscur scribouillard au bureau des brevets de Berne, publie 5 articles dans "Annalen des Physik", qui vont s'avérer être révolutionnaires.
C'est ce que l'on va appeler la naissance de la Relativité Restreinte (special relativity en anglais); restreinte car elle n'inclue pas la gravitation; elle ne s'applique qu'aux objets en mouvement uniforme et non accéléré.
Mais le temps devient maintenant une grandeur comme une autre.
La Relativité restreinte stipule que :
·        La vitesse de la lumière dans le vide est constante quelques soient les référentiels (c'est donc une limite mas absolue)
·        Masse et énergie sont les deux faces d'une même entité (tout le monde connaît la formule  E = mc2)
·        L'univers est un espace-temps à 4 dimensions.
 
En 1915 c'est la Relativité Générale, la gravitation fait partie intégrante des équations, c'est une généralisation de la relativité restreinte.
En quelques mots la RG énonce que :
·        Toute masse courbe l'espace-temps
·        Les objets suivent des trajectoires que l'on appelle des géodésiques
·        Équivalence entre gravitation et accélération (fameuse expérience de l'ascenseur)
 
Mais sa théorie à cause du conflit mondial, n'est pas connu de tous encore.
 
Voilà pourquoi l'éclipse de Sobral de 1919 a été l'élément déclencheur de la célébrité d'Einstein.
 
 
Ses théories ont fortement influencé la vie intellectuelle et artistique de l'époque.
 
Comme par exemple, une chanson et musique de film devenu très célèbre qu'a chanté notre orateur en public ce qui lui valut de forts applaudissements et que j'ai immortalisé sur la photo ci-contre avec le texte de la chanson qui se trouve être celle du film mythique …..Casablanca avec I Bergman et H Bogart.
 
 
 
 
 
 
Après ses heures de gloire, Einstein essaye, sans succès, jusqu'à la fin de sa vie de mettre au point une théorie d'unification des champs.
 
La RG n'était pas encore enseignée partout, on pensait que c'était trop compliqué mais surtout que cela n'avait pas beaucoup d'influence sur notre vie de tous les jours.
 
Mais le temps passant, dans les années 1960 se produit une petite révolution en astronomie qui va booster la RG.
 
·        En 1961 on découvre les quasars qui émettent une énorme quantité de rayonnement
·        En 1964 on découvre le bruit de fond cosmologique (CMB) avec ses 3K de température
·        En 1967 on découvre les pulsars étoile à neutrons qui tourne très rapidement
·        En 1971 on découvre un trou noir dans notre galaxie.
 
Tous ces évènements ont à faire avec la RG; il faut donc la prendre au sérieux.
 
On va donc essayer de la tester et cela va se faire en essayant d'expliquer certains phénomènes jusque là inexplicables.
 
 
 
DÉVIATION DE LA LUMIÈRE.
 
C'est la fameuse expérience de l'éclipse de 1919.
L'espace est courbé par la lumière; si une étoile est située proche du Soleil (trajet lumineux), elle devrait nous apparaître lorsque le Soleil n'est plus là, déviée de 1,75 seconde d'arc.
 
Il "suffit" donc de faire une photo avec et sans Soleil, sans Soleil, c'est facile, la nuit par exemple, avec Soleil, ce n'est pas toujours facile, il faut une éclipse totale.
 
Mais comme le dit si bien Cliff, les éclipses ne se trouvent jamais près des observatoires (loi de Will, ah!ah!).
Donc beaucoup de chance en 1919 à Sobral pour vérifier les dires de la RG.
 
 
 
Heureusement à notre époque, on peut aussi illustrer cette conséquence de la RG en se penchant vers les quasars et la radioastronomie. La radioastronomie est en effet très précise, elle peut mesurer des différences de 100 micro secondes d'arc.
 
On a ainsi pu mesurer l'angle entre deux quasars (3C273 et 3C279) lors d'un passage près du Soleil, de plus depuis on a pu vérifier la validité de cette loi sur 540 quasars, et la RG a été vérifiée à 0,02% près.
 
 
L'effet de lentille gravitationnelle est aussi une superbe application de la RG.
 
Cette méthode est basée sur la variation de lumière d'une étoile source (ou d'une galaxie, d'un amas de galaxies) devant laquelle passe une masse importante, une autre étoile par exemple.
 
Suivant la position de la source et de l'étoile lentille on voit des formes différents allant de multiples images (mirages) à des arcs et à des anneaux voir cet astronews précédent qui résume le sujet.
Lorsque l'alignement est parfait on voit le célèbre anneau d'Einstein; dans les autres cas il y a d'autres figures qui se produisent.
 
L'utilisation de lentilles gravitationnelles est devenu un outil puissant en astrophysique (découverte d'exoplanètes entre autre).
 
 
LE PROBLÈME DU PÉRIHÉLIE DE MERCURE.
 
 
D'après les lois de Kepler et Newton, l'orbite des planètes est une ellipse dont l'axe périhélié-aphélie est fixe dans le temps.
 
Or le périhélie de Mercure avançait de 575 " par siècle, on calcula alors les influences des diverses autres planètes qui pouvaient jouer sur ce facteur (voir diapo ci contre) mais il restait quand même un mystérieux 43" pour lesquelles on ne trouvait pas d'explication.
 
Et alors, et alors…Albert est arrivé!
Il calcule l'influence de la RG (Mercure est très près du Soleil et la masse de celui-ci n'est pas négligeable), il trouve…43"!!
 
CQFD!
 
 
Plus tard, à l'aide d'horloges atomiques très précises on calcula la variation entre la dérive du périhélie et la valeur donnée par la RG, et on trouva …..42,98" à +/- 0,04".
 
 
LES ONDES GRAVITATIONNELLES.
 
 
La grande différence entre les ondes électromagnétiques et les ondes gravitationnelles (OG), est que ces dernières sont générées par le mouvement des masses.
 
Et quand elles rencontrent des masses, elles créent des différences de position.
 
 
Les ondes gravitationnelles sont extrêmement faibles, par exemple une source d'OG très forte, provoquerait une variation de longueur dans une antenne de 1m de…..1/1000 du diamètre d'un noyau atomique!!!
 
 
 
 
 
 
 
Une chose est certaine, on est sûr qu'elles existent, elles ont été découvertes à Arecibo en 1974 en mesurant la vitesse d'orbite de pulsars binaires.
 
Un des pulsars se déplace dans le champ de gravitation de l'autre, qui varie suivant la position sur l'orbite.
Actuellement il y a quatre lieux de détection des OG dans le monde :
·        LIGO à Hantford
·        LIGO à Livingston
·        GEO à Hanovre
·        VIRGO à Pise
 
 
 
 
Bientôt on lancera dans l'espace le projet LISA qui devrait nous permettre d'affiner ces mesures.
 
 
 
LA RELATIVITÉ DANS LA VIE QUOTIDIENNE.
 
 
Le fait principal qui va dominer les applications quotidiennes, est que la vitesse de déroulement du temps n'est pas la même partout.
 
Une horloge au Mont Blanc bat plus vite (de 20 microsecondes) par an qu'à Paris, c'est l'effet de la gravitation qui n'est pas la même aux deux endroits, c'est l'effet de la RG.
Une horloge en mouvement avance plus lentement qu'une horloge fixe, c'est l'effet de la Relativité Restreinte.
 
Ces deux effets sont utilisés dans la principale utilisation de la Relativité :
 
Le positionnement par satellite (GPS, Galileo, …) est une des applications les plus courantes (avec les lecteurs laser) de la théorie de la relativité d'Einstein, le principe repose sur l'utilisation d'une super horloge atomique à bord de chaque satellite
 
Il faut toujours avoir en vue 4 satellites pour que le système fonctionne.
 
Le temps ne s'écoule pas de la même manière en fonction du champ de gravité et de la vitesse. La plupart des gens ne comprennent pas pourquoi il faut 4 satellites en vue pour déterminer sa position, alors que 3 (x,y,z) semblent suffisant.
 
 
 
C'est compter sans Albert qui nous joue des tours, le temps n'est pas tout à fait le même dans les satellites et sur Terre, si bien que si l'on n'effectue pas une correction (synchro des temps) l'erreur de position peut atteindre 10km en une journée. Merci Albert!
 
Les effets combinés de la RG et de la RR nous donnent une variation sur le signal "temps" de 39 ms par jour, qu'il faut corriger.
 
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
C Will a écrit un livre il ya quelques années sur ce sujet : "Was Einstein right", qui a été traduit par "Les enfants d'Einstein" chez Dunod.
 
 
L'éclipse de Sobral par B Lelard
 
La relativité restreinte et générale par D Fontaine.
 
Le site de Gravity Probe B , sonde qui veut tester la relativité.
 
Relativité : Au secours, la Terre entraîne l'espace-temps, Albert avait raison!
 
La gravitation testée dans l'espace : CR de la conférence CNES/ONERA sur Microscope
 
Luc Blanchet : CR conférence SAF sur les Ondes Gravitationnelles du 17 Janv 2009.
 
 
 
Bon ciel à tous !
 
 
Jean Pierre Martin  membre de la commission de cosmologie de la SAF.
www.planetastronomy.com
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