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Mise à jour le 27 Juillet 2009
SÉMINAIRE SUR L’UNIVERS INVISIBLE
Organisé par l’Observatoire de Paris (LUTH)
Conférence de André FüZFA Astrophysicien, Chercheur associé au LUTh,
Chargé de Recherche au FNRS, Université de Namur, Belgique  sur
« L’HÉRITAGE RÉVOLUTIONNAIRE D’EINSTEIN ;
DES THÉORIES DE LA RELATIVITÉ A LA CONSTANTE COSMOLOGIQUE »
Le 7 Juillet 2009 à l’Observatoire de Meudon.
 
Remarque : Cette conférence fait partie d’un ensemble de conférences données à l’occasion de ce séminaire, dont on peut consulter le compte rendu sur ce site.
Photos : JPM. pour l'ambiance. Voir les crédits des autres photos éventuelles.
Je ne propose que des comptes rendus succincts de ces conférences, le site Univers 2009, dédié aux manifestations de l'Univers Invisible devrait mettre en ligne bientôt le texte de toutes les conférences.
NOTA : j'ai fait de nombreuses photos en haute résolution que je ne peux pas mettre sur le site question volume, ceux qui seraient intéressés par certaines photos en plus haute définition que celles qui suivent n'ont qu'à me contacter, je les envoie par e-mail.
 
 
 
André nous a présenté un cours magistralement intéressant et de très haute tenue sur la relativité et les théories physiques développées à partir des découvertes d’Albert Einstein.
 
D’abord un bref rappel sur les révolutions scientifiques qui ont toujours représenté un saut conceptuel par rapport aux anciennes idées, comme par exemple le passage du monde de Ptolémée à celui de Copernic.
 
 
A chaque fois on remet en cause le paradigme existant.
 
C’est aussi ce qui s’est passé avec Einstein.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Les trois axes de la nouvelle physique sont représentés ici par le cube de Bronshtein qui mêle :
 
·        La Gravitation universelle avec G
·        La Relativité Restreinte (RR) avec 1/c
·        La Mécanique Quantique (MQ) avec h
 
La plupart de ces révolutions ont été initiées par Einstein.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LA RELATIVITÉ RESTREINTE.
 
En partant du principe de Galilée (les lois de la physique sont valables quelque soit la vitesse uniforme de l’utilisateur), il établit les règles de la Relativité Restreinte en 1905.
 
Au 19ème siècle, l’électromagnétisme établit la lumière comme une onde transportant électricité et magnétisme, on postule un milieu transportant cette onde : l’éther.
Mais Michelson et Morley recherchent le mouvement de cet éther par rapport à la Terre, ils ne le trouvent pas, l’éther n’existe pas.  La vitesse de la lumière est une constante.
 
La RR avec l’invariance de c, unifie l’espace et le temps.
Il est impossible de discriminer localement un référentiel en mouvement uniforme d’un autre au repos.
 
Pour Einstein la physique est unique.
 
Il introduit la relativité du temps. Procédons à une expérience par la pensée avec le lapin blanc d’Alice.
 
Supposons que l’on ait un dispositif de mesure du temps, par une mesure d’un aller retour d’un signal lumineux.
 
Alice est l’observateur au repos et le lapin blanc en mouvement uniforme par rapport à elle.
 
 
 
La « seconde » du lapin est différente (supérieure) de la « seconde » d’Alice vue par Alice.
Le temps du lapin blanc s’écoule plus lentement que le temps d’Alice qui est au repos.
C’est pour cela qu’il est toujours en retard selon Alice !
 
 
 
 
 
Mais le lapin décide de mesurer la « seconde » d’Alice.
Il y a dilatation du temps dans le référentiel en mouvement, et la seconde d’Alice vue par le lapin est supérieure à la seconde d’Alice vue par elle-même.
 
Alice est en retard pour le lapin.
 
Conséquences de la RR :
 
·        Relativité des longueurs et des durées : contraction des distances et dilatation du temps
·        Les phénomènes physiques doivent être décrits dans l’espace-temps
·        La masse d’inertie d’un corps augmente avec sa vitesse
·        L’énergie d’un corps est liée à sa masse par E=mc2
 
Une des applications de la RR : les muons des rayons cosmiques contre ceux du laboratoire :
Le temps de vie moyen des muons est de 2 microsecondes (dans un repère où il est au repos), à la vitesse de la lumière, la vitesse maximale qu’ils pourraient parcourir serait donc de l’ordre de 600m.
Or les muons provenant des rayons cosmiques traversent la haute atmosphère et parcourent près de 10km et semblent donc vivre plus longtemps que leurs confrères de laboratoire. Pourquoi ?
Ils semblent vivre plus longtemps car ils se déplacent en fait à une très grande vitesse par rapport à nous. (effet relativiste sur le Temps).
 
 
La Relativité Restreinte et les accélérateurs de particules.

 
A la sortie du SPS pré-accélérateur Super Proton Synchrotron de 7km de diamètre) qui va alimenter le LHC (Large Hadron Collider de 27km de circonférence), les électrons sont accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière (0,995c) et une énergie de 20 GeV, énergie énorme en physique nucléaire, mais faible pour le monde normal (exemple énergie d’un moustique en vol : 1000 GeV).
 
Au niveau de l’accélérateur principal, l’énergie des électrons passent à 100 GeV, avec la même vitesse ; l’énergie communiquée aux électrons (en fait des positrons) a servi à augmenter leur masse d’inertie.
 
 
 
 
 
 
VERS LA RELATIVITÉ GÉNÉRALE.
 
Le principe d’équivalence de Galilée établit que tous les corps tombent à la même vitesse quelque soit leur masse et leur composition.
 
Les difficultés de la gravitation universelle :
·        La force se propage instantanément. Quelle est la localité des lois ?
·        Les masses nulles tombent-elles ?
·        La gravitation est exclusivement attractive, cela peut-il provoquer une instabilité de l’Univers ?
 
La gravitation est-elle alors une pseudo-force.
 
 
PRINCIPE D’ÉQUIVALENCE ET RELATIVITÉ GÉNÉRALE.
 
 
Le principe d'équivalence signifie : un champ de gravitation est localement équivalent à un référentiel soumis à une accélération uniforme. En conséquence la masse inertielle et la masse pesante (gravité) sont équivalentes.
 
 
Le Principe d'équivalence faible est une propriété géométrique de l'espace-temps, il dit que la masse inertielle et la masse gravifique sont égales quel que soit le corps.
 
Einstein affirme que le principe d'équivalence faible est valide et que, l'on ne peut pas discriminer localement, entre les effets d'un champ gravitationnel et les  effets d'une accélération du référentiel de l'observateur.
 
Le principe d'équivalence fort généralise le principe d'Einstein : localement, les effets d'un champ gravitationnel sur toute expérience, même portant sur la gravitation sont identiques aux effets d'une accélération du référentiel de l'observateur
C'est la fameuse expérience de l'ascenseur.
 
 
Les lois de la physique sont donc valables dans un repère en accélération.
 
Gravitation et espace-temps.
 
Dans un champ gravitationnel, le plus court chemin entre deux points, n'est pas la ligne droite, c'est une géodésique.
 
Application de la RG.
 
Le système de positionnement pas satellite (GPS, Galileo, etc…) est un exemple pratique de l'utilisation de la RG.
 
Le principe repose sur l'utilisation d'une super horloge atomique à bord de chaque satellite Car Einstein introduit une entité nouvelle : l'espace-temps. 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 suffisants.
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.
 
Ce fonctionnement parfait est dû à l'application des deux relativités d'Einstein :
·        La RR : dilatation du temps due au mouvement des satellites sur orbite (approx 4km/s)
·        La RG : retard des horloges au sol par rapport aux horloges embarquées (distance approx : 20.000km)
 
Merci Albert!
 
 
LE PRINCIPE DE MACH.
 
(texte provenant partiellement du site "Mouvement et inertie")
Le pendule de Foucault illustre le principe de Mach. Un poids assez lourd se balance au bout d'une longue corde, par exemple au pôle Nord de la Terre. Les heures s'écoulent et le plan de l'oscillation tourne autour d'un axe vertical. Au bout de six heures l'oscillation atteint, puis dépasse un plan perpendiculaire au plan de départ. Le plan de l'oscillation effectue un tour complet en vingt-quatre heures. Il tourne sans cause visible par rapport à la Terre. 
Mais l'observation montre qu'il reste fixe par rapport aux galaxies les plus lointaines, celles dont le mouvement apparent est le plus faible.
 
 
 
 
Le plan de l'oscillation reste donc aussi stable que possible, non par rapport à la Terre, mais par rapport à l'ensemble de l'univers.
Si le pendule est déplacé vers l'équateur, la rotation de son plan d'oscillation ralentit progressivement (un tour en 32 h 52 min à Paris) jusqu'à devenir nulle à l'équateur.
Au delà, le changement d'hémisphère inverse la rotation selon la loi de Coriolis : (vu par dessus et par derrière) « Tout mobile à la surface de la Terre est dévié vers sa droite dans l'hémisphère Nord, et vers sa gauche dans l'hémisphère Sud ». Vue par dessous, cette déviation explique par exemple que les cyclones de l'hémisphère Nord tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, et ceux de l'hémisphère Sud dans le sens aiguilles d'une montre.
Cet effet est cependant beaucoup trop faible pour déterminer le sens de rotation de l'eau qui s'écoule par le siphon d'une baignoire. D'autres facteurs, comme des irrégularités dans la forme du récipient, sont prépondérants.
En revanche, aussi longtemps que la force centrifuge l'emporte sur la gravitation terrestre, un gyroscope tend à conserver un axe de rotation fixe par rapport aux galaxies lointaines, quelle que soit sa position géographique, y compris à l'équateur.
Le « secret » du pendule de Foucault, c'est la conservation de l'énergie. Si le pendule passait du plan dans lequel il est en train de tourner à un autre, il lui faudrait une impulsion. Or cette impulsion ne se crée pas spontanément et la Terre tourne. Le résultat, c'est que le plan d'oscillation du pendule tourne par rapport à la Terre. Ce qui nous livre aussi le « secret » du gyroscope. Pour que l'axe change de direction, il lui faudrait une chiquenaude, qui là encore ne se crée pas spontanément.
 
En simplifiant outrancièrement, nous pouvons dire qu'en relativité l'universel conditionne le local (principe de Mach revu par Einstein). Tandis qu'en mécanique quantique, c'est le local qui conditionne l'universel (réduction locale de la fonction d'onde « étalée » universellement).
 
Les lois de la physique sont indépendantes de tout mouvement général de l'observateur.
 
Inertie (matière) et accélération (gravitation) sont relatives et définies par rapport au reste de l'Univers.
 
Pas de matière à Pas d'espace-temps.
 
 
Einstein et la constante cosmologique L lambda.
 
Einstein introduit cette constante dans son modèle d'Univers qui est :
·        sans bord et fini (hypersphère)
·        qui est maintenu en équilibre par la force de répulsion associée à lambda.
 
Il existe une relation entre la masse de l'Univers (inertie) et la géométrie intrinsèque lambda (accélération).
 
La matière génère une constante cosmologique, donc, si pas de constante cosmologique, pas de matière.
 
Einstein utilise la cosmologie pour contraindre la physique fondamentale.
 
 
 
Mais s'apercevant de l'expansion de l'Univers, lambda apparaît inutile, il abandonne alors cette constante qui ne réapparaîtra que bien plus tard.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUCCÈS DE LA THÉORIE DU BIG BANG CHAUD.
 
Les trois preuves classiques :
·        la récession des galaxies
·        l'existence du rayonnement fossile
·        l'abondance des éléments légers (nucléosynthèse primordiale)
 
À ces preuves on peut ajouter ces preuves indirectes :
·        le principe cosmologique
·        la formation des galaxies
·        le nombre de familles de particules élémentaires
·        les mirages gravitationnels.
 
Échec des modèles cosmologiques alternatifs.
 
Mais son temps imparti étant largement dépassé, notre orateur est obligé d'abréger sa présentation, ce n'est que partie remise j'espère.
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
Histoire de la Relativité très complet mais auteur inconnu.
 
Des systèmes complexes pour l’émergence de la complexité Cosmos intelligent ou Univers intelligible? par André Füzfa
 
Les rayons cosmiques par l'IN2P3.
 
La relativité, approche simple par G Villemin.
 
L'histoire du concept de gravitation Par Sébastien Charnoz, très belle présentation.
 
La théorie de la relativité par Th Lombry de Luxorion, superbe mais il faut s'accrocher!
 
Une présentation ppt amusante mais juste sur la cosmologie et la relativité.
 
Le principe de Mach et une théorie Relativiste de la Gravitation
 
Le mouvement et l'inertie , la relativité et le principe de Mach.
 
Jean-Pierre Luminet : l'Univers est-il infini ? article de la Recherche.
 
Courbure spatiale, « platitude », âge et horizon, cours de cosmologie de la SAF (3ème partie) par J Fric.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Bon ciel à tous!
 
 
Jean Pierre Martin  membre de la Commission de Cosmologie de la SAF.
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