Didier Lauwaert
2004-04-26 06:06:55 UTC
Bonjour, comme promis.
N.A. = note de l'auteur
N.T. = note du traducteur, c'est à dire moi :-)
Charles W. Misner
Kip S. Thorne
John Archibald Wheeler
1. Redshift gravitationnel dérivé de la conservation de l'énergie
-----------------------------------------------------------------
Einstein argumentait contre l'existence de tout système de
référence composé de lignes droites tel que cela est supposé
dans la théorie de Newton. Il insistait sur le fait que
rien dans un état naturel du mouvement, pas même un photon,
ne pourrait donner l'évidence de l'existence ou de la localisation
de telles lignes droites idéales.
Einstein (1911) montra qu'un photon doit être affecté par un champ
de gravitation à partir de la conservation de l'énergie appliquée
dans le contexte de la théorie de la gravitation de Newton. Soit
une particule au repos de masse m qui commence au repos dans
un champ gravitationnel g au point A et qui tombe librement
sur une distance h jusqu'au point B. Elle gagne une énergie
cinétique mgh. Son énergie totale, incluant la masse au repos, devient
mc² + mgh
La particule subit alors une annihilation en B, convertissant son
énergie totale plus son énergie cinétique en un photon de même
énergie totale. Ce photon voyage alors vers le haut jusqu'au point A.
S'il n'interagit pas avec le champ de gravitation, il aura son
énergie originale en arrivant au point A. En ce point, il pourrait
être convertit par un dispositif approprié en une autre particule
de masse au repos m (qui pourrait servir à recommencer le processus)
plus un excès d'énergie mgh qui ne coute rien à produire. Pour
éviter cette contradiction au principe de conservation de l'énergie,
qui peut aussi être établit en termes purement classiques, Einstein
constata que le photon doit subir un redshift. L'énergie du photon
doit décroitre exactement comme une particule qui grimpe dans le
champ de gravitation. L'énergie du photon au sommet et en bas de
son chemin dans le champ de gravitation doit donc être relié par
Ebas = Etop(1+gh/c²)
La chute d'énergie à cause du travail effectué contre le champ
de gravitation implique une chute de fréquence et une augmentation
de la longueur d'onde (c'est le redshift, traditionnellement
établit en terme du paramètre de redshift z = DL/L)
N.T. : L = lambda = longueur d'onde, D = delta
1+z = Ltop/Lbas = h Vbas / h Vtop = Ebas / Etop = 1+gh/c²
N.T. : h dans la fraction est la constante de Planck
et V la fréquence
Le redshift prédit par cette formule a été vérifié à 1% près
par Pound et Snider (1964, 1965), améliorant l'expérience
de Pound et Rebka (1960).
2. Le redshift gravitationnel implique l'espace-temps courbe
------------------------------------------------------------
Un argument de Schild (1960, 1962, 1967) conduit à une conclusion
importante : l'existence du redshift gravitationnel montre
qu'une théorie consistante de la gravitation ne peut pas
être construite dans le cadre de la relativité restreinte.
^
| DTtop
| z2 -------------
| / /
| G1 / / G2
| / /
| / /
| z1 -------------
| DTbas
------------------------> t
Tandis que l'argument de Einstein a été formulé dans le cadre
de la théorie de Newton, celui de Schild est formulé dans le
cadre de la relativité restreinte. Il analyse l'expérience de
redshift gravitationnel dans le champ terrestre en utilisant un
repère de Lorentz global lié au centre de la terre. Il n'exige
pas qu'une particule libre initialement au repos reste
au repos dans ce repère global de Lorentz (excepté loin de la
terre où la gravité est négligeable). Au contraire, il demande
que les particules libres soient accélérées relativement au
repère global de Lorentz par le champ de gravitation de la terre.
La nature mathématique du champ (scalaire, vectoriel, tensoriel,...)
n'a pas d'importance, mais il demande que les longueurs et temps
propres soient gouvernés par la métrique de la relativité
restreinte.
L'argument de Schild procède comme suit. Considérons un observateur
au repos à la surface de la terre à la hauteur z1 et un autre
au-dessus de la surface de la terre à la hauteur z2=z1+h
(voir la figure). Les observateurs peuvent vérifier qu'ils
sont au repos l'un par rapport à l'autre et relativement au
repère de Lorentz terrestre, par exemple en échangeant des signaux
radars avec des particules libres qui sont au repos dans
le repère terrestre loin de son champ de gravitation. L'expérimentateur
inférieur émet alors un signal électromagnétique de fréquence standard
fixée Wb qui est reçut par l'observateur au sommet.
N.T. W est oméga, la pulsation.
Pour être précis, supposons un signal qui est une impulsion de
exactement N cycles de durée. Alors, l'interval de temps DTbas requit
pour l'émission de l'impulsion est donnée par 2piN = Wb DTbas.
N.T. D est toujours delta et T est ici le temps propre.
N.A. Le temps propre est égal à la coordonnée de Lorentz
du temps pour les deux observateurs puisqu'ils sont au repos
dans le repère de Lorentz de la terre.
L'observateur au sommet reçoit alors les mêmes N cycles de
l'impulsion de l'onde électromagnétique et mesure l'intervale
de temps requit DTtop. Selon la définition de "fréquence",
il satisfait 2piN=Wt DTtop. L'effet de reshift, établit
expérimentalement ou par la conservation de l'énergie, montre
que Wb < Wt. Par conséquent, les intervalles de temps sont
différents DTtop > DTbas. Transférons cette information
dans le diagramme de l'espace-temps de la relativité restreinte.
Les ondes sont des rayons lumineux, alors on peut montrer
qu'ils voyagent le long de lignes à 45° dans le diagramme
d'espace-temps (voir la figure). On a alors une
contradiction en notant que l'on a tracé un parallélogramme
dans l'espace-temps de Minkowski avec des cotés inégaux
DTtop > DTbas tandis qu'un parallélogramme dans un espace-temps
plat de Minkowski ne peut pas avoir des cotés opposés de
taille inégale. On en conclut que la relativité restreinte
ne peut pas être valide sur une région suffisament étendue.
Globalement, l'espace-temps, comme sondé par le trajet des
rayons lumineux et des particules tests, s'écarte de la
platitude en dépit du fait que l'espace-temps plat
de Lorentz - Minkowski donne la physique localement.
L'argument ci-dessus fait une simplication trop forte puisque
l'on a supposé que les rayons lumineux n'étaient pas influencés
par la champ de gravitation.
N.T. Impossible de dessiner ici un dessin avec des courbes.
Imaginez le même dessin que ci-dessus mais avec G1 et G2
qui sont de légères courbes, identiques. C'est à dire un
parallélograme légèrement "flambé". Les lignes horizontales
restent horizontales.
Les photons peuvent très bien ne pas suivre des lignes droites.
N.T. Ce effet est d'ailleurs observé par la déviation
des rayons lumineux par le soleil. Effet qui n'implique
nullement la courbure de l'espace-temps puisque cet
effet est également prédit (avec une valeur numérique erronée)
par la théorie de Newton.
Par conséquent, les lignes d'univers G1 et G2 des impulsions
successives sont des courbes. Cependant, le champ de gravitation
est statique et les expérimentateurs ne bougent pas. Donc, rien
dans le dispositif expérimental ne change dans le temps. Quel que
soit le chemin G1, le chemin G2 doit être un chemin congruent
d'exactement la même forme, juste translaté dans le temps.
Sur la base de cette congruence et du fait que les observateurs
se déplacent sur des lignes d'univers parallèles, on doit
à nouveau conclure, si la géométrie de l'espace-temps plat
de Minkowski est valide, que DTtop=DTbas, contredisant
l'expérience de redshift. Les expérimentateurs n'ont pas
besoin de comprendre la propagation de la lumière dans un champ
de gravitation. Ils ont seulement besoin d'utiliser leurs
appareils radars pour vérifier le fait qu'ils sont au repos
l'un par rapport à l'autre et relativement à la source du champ
de gravitation. Ils savent que, quelle que soit l'influence
du champ de gravitation sur leurs appareils radars, il n'aura
pas une influence dépendant du temps. De plus, ils n'ont
pas besoin de savoir comment calculer leur séparation afin de
vérifier que la séparation reste constante. Ils ont seulement
besoin de vérifier que le temps pour un aller-retour requit
pour les impulsions radars est le même chaque fois
qu'ils le mesurent.
L'argument du redshift de Schild ne révèle pas quelle sorte de
courbure doit exister ou si la courbure existe dans le voisinage
de l'équipement d'observation ou à une certaine distance
de celui-ci. Il affirme, cependant, sans ambiguité, que
l'espace-temps plat de la relativité restreinte est inadéquat
pour décrire la situation et est donc une motivation
pour analyser mathématiquement la courbure de l'espace-temps.
N.T. L'argument de Schild est capital et non trivial car
on pourrait imaginer qu'un pourrait décrire la gravité
comme un simple champ de force dans le cadre de la relativité
restreinte. Champ de force influençant bien sûr la trajectoire
des corps et de la lumière, même dans un repère global de Lorentz.
C'est à dire qu'on pourrait croire que la possibilité
d'une description géométrique (Riemann, RG d'Einstein)
basée sur le principe d'équivalence n'est qu'un choix
qu'on peut éviter. Pas de chance, ca ne marche pas !
N.T. Comme vous l'avez peut-être noté, l'argument de Schild
conduit aussi à la dilatation du temps gravitationnelle.
N.T. Schild a développé son argumentation dans un cadre
totalement relativiste. Mais en réalité, tout son
raisonnement est également valable en physique newtonienne.
Donc, le redshift conduit au fait que l'espace-temps
plat de Euclide est également inadéquat pour décrire
correctement la gravité, même si on nie la validité
de la relativité restreinte (c non invariant) !
N.A. = note de l'auteur
N.T. = note du traducteur, c'est à dire moi :-)
Charles W. Misner
Kip S. Thorne
John Archibald Wheeler
1. Redshift gravitationnel dérivé de la conservation de l'énergie
-----------------------------------------------------------------
Einstein argumentait contre l'existence de tout système de
référence composé de lignes droites tel que cela est supposé
dans la théorie de Newton. Il insistait sur le fait que
rien dans un état naturel du mouvement, pas même un photon,
ne pourrait donner l'évidence de l'existence ou de la localisation
de telles lignes droites idéales.
Einstein (1911) montra qu'un photon doit être affecté par un champ
de gravitation à partir de la conservation de l'énergie appliquée
dans le contexte de la théorie de la gravitation de Newton. Soit
une particule au repos de masse m qui commence au repos dans
un champ gravitationnel g au point A et qui tombe librement
sur une distance h jusqu'au point B. Elle gagne une énergie
cinétique mgh. Son énergie totale, incluant la masse au repos, devient
mc² + mgh
La particule subit alors une annihilation en B, convertissant son
énergie totale plus son énergie cinétique en un photon de même
énergie totale. Ce photon voyage alors vers le haut jusqu'au point A.
S'il n'interagit pas avec le champ de gravitation, il aura son
énergie originale en arrivant au point A. En ce point, il pourrait
être convertit par un dispositif approprié en une autre particule
de masse au repos m (qui pourrait servir à recommencer le processus)
plus un excès d'énergie mgh qui ne coute rien à produire. Pour
éviter cette contradiction au principe de conservation de l'énergie,
qui peut aussi être établit en termes purement classiques, Einstein
constata que le photon doit subir un redshift. L'énergie du photon
doit décroitre exactement comme une particule qui grimpe dans le
champ de gravitation. L'énergie du photon au sommet et en bas de
son chemin dans le champ de gravitation doit donc être relié par
Ebas = Etop(1+gh/c²)
La chute d'énergie à cause du travail effectué contre le champ
de gravitation implique une chute de fréquence et une augmentation
de la longueur d'onde (c'est le redshift, traditionnellement
établit en terme du paramètre de redshift z = DL/L)
N.T. : L = lambda = longueur d'onde, D = delta
1+z = Ltop/Lbas = h Vbas / h Vtop = Ebas / Etop = 1+gh/c²
N.T. : h dans la fraction est la constante de Planck
et V la fréquence
Le redshift prédit par cette formule a été vérifié à 1% près
par Pound et Snider (1964, 1965), améliorant l'expérience
de Pound et Rebka (1960).
2. Le redshift gravitationnel implique l'espace-temps courbe
------------------------------------------------------------
Un argument de Schild (1960, 1962, 1967) conduit à une conclusion
importante : l'existence du redshift gravitationnel montre
qu'une théorie consistante de la gravitation ne peut pas
être construite dans le cadre de la relativité restreinte.
^
| DTtop
| z2 -------------
| / /
| G1 / / G2
| / /
| / /
| z1 -------------
| DTbas
------------------------> t
Tandis que l'argument de Einstein a été formulé dans le cadre
de la théorie de Newton, celui de Schild est formulé dans le
cadre de la relativité restreinte. Il analyse l'expérience de
redshift gravitationnel dans le champ terrestre en utilisant un
repère de Lorentz global lié au centre de la terre. Il n'exige
pas qu'une particule libre initialement au repos reste
au repos dans ce repère global de Lorentz (excepté loin de la
terre où la gravité est négligeable). Au contraire, il demande
que les particules libres soient accélérées relativement au
repère global de Lorentz par le champ de gravitation de la terre.
La nature mathématique du champ (scalaire, vectoriel, tensoriel,...)
n'a pas d'importance, mais il demande que les longueurs et temps
propres soient gouvernés par la métrique de la relativité
restreinte.
L'argument de Schild procède comme suit. Considérons un observateur
au repos à la surface de la terre à la hauteur z1 et un autre
au-dessus de la surface de la terre à la hauteur z2=z1+h
(voir la figure). Les observateurs peuvent vérifier qu'ils
sont au repos l'un par rapport à l'autre et relativement au
repère de Lorentz terrestre, par exemple en échangeant des signaux
radars avec des particules libres qui sont au repos dans
le repère terrestre loin de son champ de gravitation. L'expérimentateur
inférieur émet alors un signal électromagnétique de fréquence standard
fixée Wb qui est reçut par l'observateur au sommet.
N.T. W est oméga, la pulsation.
Pour être précis, supposons un signal qui est une impulsion de
exactement N cycles de durée. Alors, l'interval de temps DTbas requit
pour l'émission de l'impulsion est donnée par 2piN = Wb DTbas.
N.T. D est toujours delta et T est ici le temps propre.
N.A. Le temps propre est égal à la coordonnée de Lorentz
du temps pour les deux observateurs puisqu'ils sont au repos
dans le repère de Lorentz de la terre.
L'observateur au sommet reçoit alors les mêmes N cycles de
l'impulsion de l'onde électromagnétique et mesure l'intervale
de temps requit DTtop. Selon la définition de "fréquence",
il satisfait 2piN=Wt DTtop. L'effet de reshift, établit
expérimentalement ou par la conservation de l'énergie, montre
que Wb < Wt. Par conséquent, les intervalles de temps sont
différents DTtop > DTbas. Transférons cette information
dans le diagramme de l'espace-temps de la relativité restreinte.
Les ondes sont des rayons lumineux, alors on peut montrer
qu'ils voyagent le long de lignes à 45° dans le diagramme
d'espace-temps (voir la figure). On a alors une
contradiction en notant que l'on a tracé un parallélogramme
dans l'espace-temps de Minkowski avec des cotés inégaux
DTtop > DTbas tandis qu'un parallélogramme dans un espace-temps
plat de Minkowski ne peut pas avoir des cotés opposés de
taille inégale. On en conclut que la relativité restreinte
ne peut pas être valide sur une région suffisament étendue.
Globalement, l'espace-temps, comme sondé par le trajet des
rayons lumineux et des particules tests, s'écarte de la
platitude en dépit du fait que l'espace-temps plat
de Lorentz - Minkowski donne la physique localement.
L'argument ci-dessus fait une simplication trop forte puisque
l'on a supposé que les rayons lumineux n'étaient pas influencés
par la champ de gravitation.
N.T. Impossible de dessiner ici un dessin avec des courbes.
Imaginez le même dessin que ci-dessus mais avec G1 et G2
qui sont de légères courbes, identiques. C'est à dire un
parallélograme légèrement "flambé". Les lignes horizontales
restent horizontales.
Les photons peuvent très bien ne pas suivre des lignes droites.
N.T. Ce effet est d'ailleurs observé par la déviation
des rayons lumineux par le soleil. Effet qui n'implique
nullement la courbure de l'espace-temps puisque cet
effet est également prédit (avec une valeur numérique erronée)
par la théorie de Newton.
Par conséquent, les lignes d'univers G1 et G2 des impulsions
successives sont des courbes. Cependant, le champ de gravitation
est statique et les expérimentateurs ne bougent pas. Donc, rien
dans le dispositif expérimental ne change dans le temps. Quel que
soit le chemin G1, le chemin G2 doit être un chemin congruent
d'exactement la même forme, juste translaté dans le temps.
Sur la base de cette congruence et du fait que les observateurs
se déplacent sur des lignes d'univers parallèles, on doit
à nouveau conclure, si la géométrie de l'espace-temps plat
de Minkowski est valide, que DTtop=DTbas, contredisant
l'expérience de redshift. Les expérimentateurs n'ont pas
besoin de comprendre la propagation de la lumière dans un champ
de gravitation. Ils ont seulement besoin d'utiliser leurs
appareils radars pour vérifier le fait qu'ils sont au repos
l'un par rapport à l'autre et relativement à la source du champ
de gravitation. Ils savent que, quelle que soit l'influence
du champ de gravitation sur leurs appareils radars, il n'aura
pas une influence dépendant du temps. De plus, ils n'ont
pas besoin de savoir comment calculer leur séparation afin de
vérifier que la séparation reste constante. Ils ont seulement
besoin de vérifier que le temps pour un aller-retour requit
pour les impulsions radars est le même chaque fois
qu'ils le mesurent.
L'argument du redshift de Schild ne révèle pas quelle sorte de
courbure doit exister ou si la courbure existe dans le voisinage
de l'équipement d'observation ou à une certaine distance
de celui-ci. Il affirme, cependant, sans ambiguité, que
l'espace-temps plat de la relativité restreinte est inadéquat
pour décrire la situation et est donc une motivation
pour analyser mathématiquement la courbure de l'espace-temps.
N.T. L'argument de Schild est capital et non trivial car
on pourrait imaginer qu'un pourrait décrire la gravité
comme un simple champ de force dans le cadre de la relativité
restreinte. Champ de force influençant bien sûr la trajectoire
des corps et de la lumière, même dans un repère global de Lorentz.
C'est à dire qu'on pourrait croire que la possibilité
d'une description géométrique (Riemann, RG d'Einstein)
basée sur le principe d'équivalence n'est qu'un choix
qu'on peut éviter. Pas de chance, ca ne marche pas !
N.T. Comme vous l'avez peut-être noté, l'argument de Schild
conduit aussi à la dilatation du temps gravitationnelle.
N.T. Schild a développé son argumentation dans un cadre
totalement relativiste. Mais en réalité, tout son
raisonnement est également valable en physique newtonienne.
Donc, le redshift conduit au fait que l'espace-temps
plat de Euclide est également inadéquat pour décrire
correctement la gravité, même si on nie la validité
de la relativité restreinte (c non invariant) !