Entrer Dans Le Terrier Du Lapin En Relativité Générale : Démêler La Théorie D’Einstein Sur La Déconstruction De L’espace-temps

Il y a plus d’un siècle, Albert Einstein se souvenait de l’hypothèse de toutes les hypothèses. C’est une idée absolument brillante et continuera de résonner dans les grands répertoires de la pensée humaine.

Il a changé les fondements de la science, inspiré les technologies les plus intrigantes, enlevé la gloire des trous noirs, inspiré des écrivains à écrire des romans phénoménaux et transformé des idées métaphysiques en films pour réalisateurs. comme un stimulant.

C’est un concept qui teste les limites de notre imagination, un puzzle qui nécessite de repenser la notion de temps.

En 1916, Einstein publie la théorie générale de la relativité du Saint Graal.

version plus épaisse

Fondamentalement, Einstein s’est rendu compte que l’espace est beaucoup plus “d’espace” que l’espace dans lequel nous vivons, et que le temps est au-delà de l’horloge que nous avons inventée. Au lieu de cela, il pense que les deux sont physiquement connectés.

L’espace est comme une toile tissée dans notre passé, notre présent et notre futur, et peut être pliée, tordue et agitée comme de la soie. Cette structure d’espace et de temps, ou comme ils l’appellent, l’espace-temps n’a ni début ni fin.

Le continuum espace-temps ne peut être observé avec précision car il s’agit d’une partie de la nature invisible à l’œil humain. 4 dimensions. Mais vous pouvez sentir l’impact, donc vous pouvez deviner où il se trouve. L’un des effets que vous connaissez est la gravité. Mais il existe d’autres effets, comme une loupe dans l’espace appelée lentille gravitationnelle, qui ralentit la vitesse du temps en fonction de votre emplacement dans l’espace.

Mais je suis meilleur que moi. Si tout cela vous dépasse, pas de problème.

Albert Einstein.

Même si votre théorie de la relativité générale – à cause de mon introduction en bloc il y a même 5 secondes – je pense que cela vous semble étrange. En d’autres termes sans aucun doute, il comprend des complexes comme le 4D et le tissu invisible. Prédisez les résultats étranges tels que les trous de ver et la non-linéarité.

Vous ne serez pas seul dans vos doutes. La relativité générale a été une fois rejetée comme délirante et “totalement irréaliste et stupide”. Néanmoins, c’est l’une des plus belles théories sur notre univers.

Trop, c’est souvent pris comme une vérité inépuisable.

bienvenue dans la quatrième dimension

En tant qu’êtres tridimensionnels, nous pensons à l’univers en termes intuitifs.

Nous comprenons les objets unidimensionnels. Ceci est une ligne. La 2D est également facile à comprendre. Pac-Man. Et vous pouvez comprendre les trois dimensions : Tulipes, Tic Tacs et iPhones. Mais lorsque nous atteignons la quatrième dimension, notre intuition disparaît.

En 3D, il y a un axe X qui représente la longueur, un axe Y qui représente la largeur et un axe Z qui représente la profondeur. Le quatrième axe de 4D est : le temps.

Mais pour nous, penser à l’espace 4D, c’est comme essayer de comprendre l’espace 3D de Pac-Man. Puisque nous n’avons pas d’axe temporel, ne pas avoir d’axe Z endommagerait le cerveau de Pac-Man. Techniquement, chaque point de vue dans Pac-Man devient une ligne géante, semblable aux personnages des romans de Flatlands.

Cependant, ce n’est pas parce que Pac-Man est difficile à regarder dans l’espace 3D que l’espace 3D ne peut pas exister. Nous y vivons. En fait, c’est là qu’il habite.

De même, l’espace 4D existe, que notre cerveau puisse s’y intégrer ou non. Par exemple, si vous demandez à rencontrer quelqu’un dans un café à 14 heures, vous appelez peut-être inconsciemment Timebase. Fournit les coordonnées X, Y, Z et temporelles.

Donc, en lisant ceci, n’oubliez pas que tout ce que nous disons sur la relativité générale se passe en 4D. Heureusement, vous ne pouvez pas créer mentalement la quatrième dimension, mais vous pouvez la calculer mathématiquement.

expérience de levage

Vous devez avoir entendu le vieil adage selon lequel Isaac Newton s’est assis sous un pommier et un fruit délicieux est tombé sur sa tête. Et quand ils ont fini, ils ont découvert que quelque chose de mystérieux attirait la Terre vers la Terre.

Einstein avait un point de vue (très) différent.

L’article d’Einstein de 1916 sur “Les fondements de la théorie générale de la relativité” a été publié dans les Annalen d’Episque.

En bref, Einstein s’est rendu compte que la gravité n’était pas assez mystérieuse pour être écrite à la craie. C’est très similaire à l’ancien pouvoir auquel nous sommes habitués. Nous l’utilisons presque tous les jours – conduire et travailler, courir et taper dans un ballon. C’est ce qu’on appelle l’accélération.

La célèbre expérience de pensée d’ascenseur d’Einstein a aidé à expliquer cette relation.

Imaginez un ascenseur stationnaire sur Terre et un ascenseur qui accélère quelque part dans l’espace et se déplace vers le haut avec une force égale à la gravité (9,8 mètres par seconde ^ 2). Si cet ascenseur n’a pas de fenêtres, comment savez-vous s’il se trouve dans l’ascenseur spatial ou dans l’ascenseur terrestre ?

Euh, Einstein a dit, vous ne pouvez pas.

Et si nous devions le modifier un peu pour savoir si l’ascenseur sans fenêtre a une gravité nulle qui ne se déplace pas dans l’espace et que l’ascenseur tombe sur Terre ? Alors s’il vous plaît ne le faites pas.

Avec la gravité, l’apesanteur de la Terre ressemble à l’apesanteur de l’univers, que nous considérons généralement comme en apesanteur.

C’est ce qu’on appelle le principe d’égalité.

Par conséquent, la seule explication plausible de la “gravité” est Einstein. Et tout ce que cela a vraiment à voir avec l’accélération.

Puis, après un peu plus (pas beaucoup) de réflexion, il a conclu qu’il n’y avait aucune force de gravité. C’est le produit d’objets en interaction se déplaçant dans des directions différentes. Bon, revenons un peu en arrière pour que son esprit n’explose pas.

Une façon de penser aux prédictions d’Einstein est la suivante : les choses ne font pas tomber les choses. Les choses soutiennent les choses.

tu tombes maintenant

Si la balle roule vers un rocher, Newton dit que c’est là que la balle ne se déplace pas linéairement parce que la gravité la ralentit. Pour Newton, la gravité ferait tomber rapidement la balle d’un rocher qui ne pourrait pas être attrapé.

Pendant ce temps, Einstein disait que la balle tombe toujours. Ce n’est que lorsque vous franchissez le bord d’une falaise que vous voyez une telle “chute”. C’est alors que rien n’est pressé. , ou l’accélérer, rien de plus. Être patient. C’est une analogie.

Imaginez qu’il y ait une tasse d’eau. Le verre, en quelque sorte, empêche en permanence l’eau de tomber sur le sol. Ne pensez-vous pas que l’application d’une force invisible sur le verre va diluer l’eau ? C’est la même idée. La relativité générale va encore plus loin.

Tu es tombé maintenant Puisque la chaise sur laquelle vous êtes assis vous empêche de tomber par terre, vous ne pouvez pas parler. Le sol de votre chambre vous empêche, vous et votre chaise, d’atteindre le sol. Et en fait, la terre vous empêche, vous, votre chaise et votre destination, de “tomber” sur l’univers.

Einstein s’est rendu compte que tout est toujours dans un état de chute libre naturelle, mais parfois la chute libre peut être perturbée. Et le blocage ressemblait à de la gravité pour nous.

Juste… attendez… relatif.

Eh bien, vous en savez peut-être encore un peu sur la Terre qui vous empêche d’aller dans l’espace. Sans la Terre, ne flotteriez-vous pas comme un astronaute sur la Station spatiale internationale ?

Cela nous amène à la deuxième partie de la théorie générale de la relativité : la structure océanique de l’espace-temps redéfinit le concept d’effondrement. Qu’à cela ne tienne, les choses s’engouffrent. L’expérience de pensée suivante peut sembler indépendante de ce dont nous discutons en ce moment, mais croyez-moi, cela fonctionnera.

trampoline à gravité

Imaginez un trampoline.

Lorsque vous placez une boule de bowling sur ce trampoline, elle roule au milieu et l’élastique se plie vers l’intérieur. Imaginez appliquer du marbre sur ce tissu incurvé. Roulez la courbe et collez-la sur un côté de la boule de bowling. Le trampoline est le tissu de l’espace et du temps, la boule de bowling est la terre et les billes sont vous. Puis, comme nous ne pouvons pas vraiment conceptualiser le quatrième, nous réduisons la structure de l’espace et du temps à la dimension.

Après tout, selon Einstein, il y a tout dans l’univers où la masse dans l’espace-temps est déformée de sorte qu’une boule de bowling déforme un trampoline. Le trou noir est complètement déformé, la Terre un peu déformée, la Lune un peu déformée, et un peu déformée aussi. Plus la masse d’un objet est grande, plus la déviation est importante. Et plus la déviation est grande, plus la “gravité” est forte.

Ici, imaginez que chaque ligne de grille de cette figure est une rangée de fils avec des voitures, dont certaines se déplacent.

Cet élément suit toujours les lignes ”. Si la terre est retirée de cette photo, les lignes de câble seront redressées, déplaçant l’élément dans cette direction ‘avant’. Cependant, les lignes de terre et de câble sont cachées vers l’intérieur pour déplacer des objets dans ces lignes. avec ça.

Par conséquent, s’il n’y avait pas d’objets dans l’univers, Einstein a dit que les seuls objets de l’univers avec des orbites théoriquement non divisées seraient en chute libre. Mais l’univers est plein de choses. Ainsi, l’espace-temps était complètement déformé. Et tout “tombe” le long de cette arche. Même les astronautes de l’ISS sont en chute libre parce qu’ils poursuivent une sorte de distorsion gravitationnelle.

Mais au cas où vous vous poseriez encore la question, le physicien américain John Wheeler a un jour résumé la théorie générale de la relativité en 12 mots.

Il est resté C’est la théorie générale de la relativité. Mais la folie ne s’est pas arrêtée là.

Les conséquences de la théorie générale de la relativité peuvent être encore plus étranges que la théorie elle-même. N’oubliez pas que la grille spatio-temporelle est constituée de temps.

le temps est imaginaire

Dans le film Interstellar de Christopher Nolan en 2014, quelque chose de très étrange se produit lorsque Cooper, le personnage de Matthew Markonohi, visite une planète en orbite près d’un trou noir.

“Sept ans et une heure ici”, a-t-il dit avant de quitter le vaisseau spatial. Cela signifie que 7 ans passent sur Terre chaque heure sur la planète. Bien sûr, des décennies s’étaient écoulées depuis que Cooper était revenu sur Terre après une expédition de deux heures.

Tout ce drame est le produit de la relativité générale. Plus précisément, la temporisation.

interstellaire

Cet aspect de la théorie générale de la relativité s’appuie sur une idée plus large initiée par Einstein appelée la théorie restreinte de la relativité. Je ne vais pas approfondir la théorie restreinte de la relativité, mais vous devez savoir que la lumière voyage toujours à une vitesse constante. n’importe quel.

La lumière d’un train voyageant à 40 mph voyage à la même vitesse que la lumière d’un avion voyageant à 500 mph, et les deux voyagent à la même vitesse que la lumière d’étoiles opposées. Galaxie. Comme vous pouvez l’imaginer, compte tenu du continuum espace-temps, des choses étranges se produisent.

Repensez au trampoline. Pas de boule de bowling. Supposons qu’une bille mette 10 secondes à rouler dans la direction opposée. Ok, mets les boules de bowling. Le trampoline monte. Faites rouler une bille sur ce trampoline plié et il vous faudra 12 secondes pour peindre la nouvelle zone.

Dans cet exemple, vous pouvez voir qu’un objet plus lourd crée une courbe plus grande, qui à son tour augmente la “zone” de l’objet en mouvement. Mais rappelez-vous la règle de la lumière ? La lumière doit toujours voyager à une vitesse constante, afin qu’elle ne soit pas affectée par la distorsion.

De gauche à droite : la courbure spatio-temporelle de la Lune, la courbure spatio-temporelle de la Terre, la courbure spatio-temporelle du Soleil, un trou noir annihilant complètement l’espace-temps en un point : la singularité.

Mais il est clair que la lumière traversant la courbure de l’espace-temps parcourt une plus grande distance que la lumière traversant l’espace vide. Alors, qu’est-ce qui changerait sans élan? Eh bien, après avoir persécuté la théorie de la relativité, vous trouverez la réponse… le temps.

Le changement de temps en tenant compte de la vitesse isostatique de la lumière.

Autrement dit, le temps se déplace lentement parce que le champ gravitationnel dans l’espace-temps devient plus fort. Oui c’est correct. C’est une très petite différence, mais nous l’avons prouvé. Après le voyage de six mois, les astronautes de l’ISS étaient 0,007 secondes plus lents que ceux de la Terre. C’est pourquoi, par exemple, il existe des horloges atomiques qui peuvent expliquer les retards temporels affectant les satellites GPS.

Et pour Cooper, quelqu’un sur Terre observerait le temps se déplaçant lentement pour lui alors qu’il se trouvait sur une planète à trou noir. , Il existe de nombreuses façons dont le décalage temporel peut se produire en raison de la relativité générale, mais celles-ci représentent un point commun.

Trou de ver et trou noir

Prêt pour la réflexion sur le genre Star Trek ?

Que diriez-vous de plier un trampoline en deux comme une feuille de papier ? Théoriquement, vous pourriez percer le tissu. Hmm. Si vous ouvrez le trampoline, vous verrez que les deux trous sont éloignés l’un de l’autre. Lorsque vous les pliez, ils les touchent. trou de ver.

Lorsque le trampoline est plié, les billes n’ont pas à bouger d’un côté à l’autre. Vous pouvez frapper l’autre côté en moins d’une seconde.

Certains experts affirment que la structure théorique de l’espace-temps “se replie” de cette manière, en particulier à proximité de régions fortement déformées, comme autour des trous noirs. faire. Et si c’est vrai, peut-être que nous pouvons voyager dans l’espace en un instant.

Eh bien, avant de vous exciter, mais nous n’avons aucune preuve de ce genre de “pliage”. Ce n’est qu’une supposition. Mais du bon côté, la folle dérive de l’espace-temps a des conséquences dont nous avons des preuves.

Le jeu de la relativité générale insiste sur le fait que les trous noirs sont les grands acteurs, mais agrandissons le vide un instant.

Parce que cette montagne Léviathan est l’un des objets les plus gravitationnellement liés de l’univers (certains contenant des milliards de fois la masse du Soleil), elle ne se contente pas de plier l’espace-temps. Les pâtes deviennent presque croustillantes à mesure qu’elles tournent et tournent vigoureusement. Et ce n’est pas seulement le temps qui ralentit ici. pause.

Mais même les petits humains 3D peuvent regarder ce spectacle.

En 2016, le Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) a détecté un trou noir mou, ou un système de deux trous noirs adjacents. La construction en spirale Boyd envoie des vagues réelles à travers la structure de sorte que la façon dont vous laissez tomber un rocher dans un étang, il envoie des ondulations sur l’eau. Comme Einstein l’avait prédit il y a des décennies. C’est la première preuve directe que la construction est clairement une feuille moulable.

Depuis, les scientifiques ont pu prendre deux photos de trous noirs dans l’espace. Ces deux images montrent à quoi ressemble vraiment l’espace-temps déformé près du bord intérieur. Autour de chacun se trouve un anneau de photons qui suit strictement la ligne courbe provoquée par le trou noir.

Vue côte à côte du trou noir M87* prise en 2019 et de la photo de SgrA* de cette année.

ni trop irréel ni trop stupide

Mathématiquement parlant, en plus des preuves tangibles et visibles de l’espace-temps, les scientifiques ont fait plusieurs tentatives pour trouver des failles dans la théorie générale de la relativité d’Einstein. Et encore et encore, ils ont échoué.

La théorie générale de la relativité semble si intemporelle et si importante pour notre univers que les phénomènes cosmiques gravitationnellement extrêmes, tels que les étoiles à neutrons, semblent plus denses et plus respectueux des lois, où 1 cuillère à café équivaudrait au poids de l’Everest.

Animation d’ondes gravitationnelles générées par des orbites binaires à grande vitesse.

L’idée de la lentille gravitationnelle, l’effet grossissant de l’espace-temps déformé à proximité de très grands amas, est mise en pratique parmi les astronomes qui observent des étoiles et des galaxies lointaines.

L’hypothèse autrefois “totalement irréaliste et idiote” est devenue l’une des vérités les plus fondamentales de notre génération.

La relativité générale révèle une quatrième dimension qui mélange l’espace-temps, traite la linéarité comme une illusion de la pensée 3D, élargit considérablement les possibilités des trous de ver et forme la base des ondes gravitationnelles tourbillonnant dans tout l’univers. ,

Et, du moins pour l’instant, c’est un mystère.

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