Section 11 OCOM C440.09 – DÉCRIRE LE LIEN ENTRE LA GRAVITÉ ET L’ESPACE-TEMPS

Selon la théorie de la gravité de Newton, tous les corps possèdent la force d’attraction appelée gravité. Les masses plus grandes telles que le Soleil attirent plus fortement les masses plus petites telles les planètes et les comètes forçant les masses plus petites à se déplacer vers les masses plus grandes. Dans le système solaire, les planètes tournent en orbite autour du soleil en raison de la gravité du soleil qui les attire dans ce chemin elliptique. Les comètes qui traversent la galaxie courbent en direction du soleil en raison du tirant de la gravité.

Dans Principia (1687), Newton a énoncé qu’ « il y a une puissance de gravité qui s’applique à tous les corps, proportionnelle aux plusieurs quantités de matières qu’ils contiennent. » Cependant, lorsque Newton a été interrogé sur la façon dont cette « puissance de gravité » était transmise d’un corps à un autre, il a répondu : « Je n’émet aucune hypothèse. »

Einstein, avec plusieurs autres scientifiques, a commencé à questionner cette conclusion au tournant du 20^e siècle. Au 19^e siècle, Maxwell a démontré que la lumière voyageait à une vitesse déterminée dans un vide : 299 792 km / sec (185 871 milles / sec). En 1905, la théorie d’Einstein sur la relativité spéciale était fondée sur l’idée que cette vitesse était la vitesse limite de toute matière et énergie de l’univers. Si la gravité était une force transmise entre les masses de la même façon que la lumière était propagée dans l’espace, la force de la gravité devait être également restreinte à 299 792 km / sec. Se déplacer à près de 300 000 km à la seconde est extrêmement rapide, mais ce n’est pas instantané.

Newton croyait que l’espace et le temps étaient absolus ou des entités fixes et que la gravité pourrait être représentée comme une force d’attraction qui agissait instantanément entre les objets. Einstein a déterminé que l’espace et le temps sont des entités relatives, interreliées dans un « tissu » appelé espace-temps, et il a réalisé qu’aucune force — même pas la gravité — ne pouvait agir plus rapidement que la vitesse de la lumière. Dans l’univers d’Einstein, la présence de corps célestes force l’espace-temps à se tordre ou se courber; et la gravité n’est pas une force mais plutôt le produit de corps en déplacement dans un espace-temps courbé.

Puisque l’espace et le temps étaient des concepts distincts dans la physique de Newton, la position d’un objet est simplement décrite par trois coordonnées spatiales. Dans la physique d’Einstein, l’espace et le temps sont combinés dans l’espace-temps de sorte que lorsqu’on décrit la position d’un objet, cette description doit inclure les quatre dimensions, c’est-à-dire les trois dimensions spatiales et le temps. Le passage du temps est relatif au déplacement de sorte que la coordonnée de temps dans la description de la position décrit le temps relatif au système de coordonnées, lequel est absolument critique dans la théorie de relativité d’Einstein.

Montrer aux cadets le fichier vidéo WMV Einsteins_Universe_Anima. Durée de 1 minute et 9 secondes.

En 1916, Einstein a présenté au monde cette nouvelle compréhension de l’univers — sa théorie générale de la relativité. Dans cette théorie, l’espace n’est pas un vide mais une structure invisible appelée espace-temps. Et l’espace n’est pas simplement une grille tridimensionnelle à travers laquelle la matière, la lumière et l’énergie se déplacent. C’est une structure à quatre dimensions appelée espace-temps dont la forme est courbée et tordue par la présence et le déplacement de la matière et de l’énergie.

L’espace-temps entoure toute masse. La présence des planètes, des étoiles et des galaxies déforme le tissu de l’espace-temps de façon semblable à une boule de quille qui déforme une feuille de spandex. La masse de la boule étire le tissu et crée une inclinaison ou une courbe qui diminue graduellement au fur et à mesure qu’on s’éloigne de la masse.

Lorsqu’une masse passe près d’une plus grande masse, elle accélère en direction de la plus grande masse parce que l’espace-temps lui-même est courbé en direction de la plus grande masse. La plus petite masse n’est pas attirée vers la plus grande masse par une force quelconque. La plus petite masse suit simplement la structure de l’espace-temps courbé près de la plus grande masse. Par exemple, le soleil massif courbe l’espace-temps autour de lui, une courbure qui atteint les bords du système solaire et au-delà. Les planètes qui orbitent autour du soleil suivent la courbure de l’espace-temps du soleil.

Montrer aux cadets le fichier WMV Rel_gyro_expt-anima. Durée de 3 minutes et 1 seconde.

Le gyroscope consiste en une roue tournante (rotor) dans un support universel (cardan) qui permet à son axe de pointer dans n’importe quelle direction.

Aussi connue comme la rigidité dans l'espace, l'inertie gyroscopique est la tendance d'un objet tournant de demeurer dans son plan de rotation. Cela permet à l’axe de rotation d’un gyroscope de demeurer inchangé indépendamment du mouvement du cardan autour de celui-ci.

Présenter aux cadets le transparent de la figure A-1 qui se trouve à l’annexe A.

Des exemples d’objets rotatifs qui font preuve de rigidité dans l’espace sont les couvercles, les gyroscopes, les disques volants, les ballons de basket-ball et toute planète qui tourne. Ces objets ont tendance à maintenir leur orientation dans l’espace.

L’aéronef utilise des gyroscopes pour la navigation, le gyroscope maintenant l’orientation de l’univers de sorte que les changements relatifs de l’orientation de l’aéronef peuvent être mesurés. Dans le satellite Gravity Probe B (GP-B), le gyroscope maintient son orientation relative à une étoile guide éloignée de sorte que les changements dans l’orientation espace-temps près de la Terre peuvent être mesurés.

Pour fonctionner correctement, le rotor doit être maintenu en rotation à une vitesse constante. Les instruments gyroscopiques peuvent être alimentés par une ou plusieurs sources d’alimentation. Dans un aéronef, un gyroscope peut être alimenté par les systèmes de déplacement d’air. Dans le satellite GP-B, les gyroscopes sont alimentés par l’hélium gazeux qui est conservé sous forme liquide dans le plus grand composant du satellite, le vase de Dewar.

Vase de Dewar. Un vase à double parois séparés par un vide entre celles-ci pour diminuer le transfert de la chaleur et servant à conserver des liquides chauds ou froids.

Présenter aux cadets le transparent de la figure A-2 qui se trouve à l’annexe A.

Faire tourner une pièce de monnaie sur son côté pour démontrer aux cadet qu’elle demeure debout tant qu’elle tourne. Démontrer que la pièce de monnaie ne demeure pas debout sur son côté lorsqu’elle ne tourne plus.

Il était prévisible que l’axe de rotation de chacun des quatre gyroscopes du satellite GP-B se déplacerait avec la courbure et la torsion de l’espace-temps local autour de la Terre. La seule façon de détecter ce déplacement était de comparer chaque axe de rotation à une ligne de référence fixe. Durant cette mission, la ligne de référence fixe était la ligne entre le télescope et l’étoile guide : IM Pegasi. Le télescope devait demeurer fixé sur le centre exact de l’étoile guide (à moins de une milliseconde d’arc ou un millionième de pouce) durant toute la mission ou le satellite GP-B perdrait sa ligne de référence critique unique.

SQUID (dispositif supraconducteur à interface quantique). Un dispositif qui surveille l’orientation de l’axe de rotation, superconduisant le rotor sphérique parfaitement sans marque du gyroscope — sans exercer de couple important sur le rotor tournant.

Montrer aux cadets le fichier vidéo WMV SConSquid. Durée de 2 minutes et 12 secondes.

La théorie d’Einstein prévoyait que la présence d’une masse dans l’espace comme celle de la Terre déformerait l’espace-temps local, créant une inclinaison ou une courbe dans l’espace-temps. C’est ce qu’on appelle l’effet géodésique.

Une des prédictions de la théorie générale de la relativité d’Einstein est que l’espace-temps local est déformé par la rotation de la Terre — toute masse en rotation entraîne le cadre de référence de l’espace-temps local avec elle. L’entraînement prédit est très petit et s’étiole au fur et à mesure qu’il s’éloigne de la masse en rotation, mais la déformation proche peut affecter les trajectoires de la lumière, de l'énergie et d'autres masse.

Montrer aux cadets le fichier vidéo WMV Simple_expt_anima. Durée de 1 minute et 7 secondes.

Le satellite GP-B est composé de milliers de composants mais la mission peut être comprise en ne tenant compte que de quelques uns, y compris :

Montrer aux cadets le fichier vidéo WMV DF-Satellite. Durée de 4 minutes et 25 secondes.

Des astrophysiciens de l’Université York ont mesuré et suivi le déplacement de l’étoile guide du GP-B, IM Pegasi, devant un arrière plan de quasars encore plus éloignés. Ceci a permis de tenir compte des modifications de minute dans la position de IM Pegasi lorsque des changements dans l’orientation du gyroscope étaient mesurés — dans un système où des angles d’un millionième de degré sont d’une importance critique.

Quasar. N’importe quelle classe d'objets célestes semblables à une étoile, apparemment de grande taille et de grand éloignement, souvent associée avec un spectre muni d’un grand décalage vers le rouge et d'une forte émission radio.