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Relativité

Préambule ( Paragraphe Début / Suivant )

Ce chapitre donne les formules fondamentales de la Relativité Restreinte et Générale.
A travers le paragraphe Définitions, nous montrerons également que bien des "mystères" de l'espace-temps sont dûs, soit à un manque de rigueur dans l'utilisation des mots ou des concepts, soit à l'application de formules en dehors de leur domaine d'applicabilité. En particulier :
- Confusion entre Temps et Durée.
- Confusion entre Temps propre et Temps apparent.
- Utilisations différentes (sans être contradictoires) du concept de Temps. Pour beaucoup de mathématiciens, le temps se réduit à un concept purement opératoire intervenant par exemple dans les équations de Lorentz-Poincaré de la Relativité Restreinte. Pour beaucoup de physiciens, le temps est un temps physique, réel, mesuré aux moyens d'horloges localisées spatialement et susceptibles de s'accorder entre elles en échangeant des signaux lumineux.
- Application illicite des Equations de Lorentz-Poincaré à des référentiels qui ne sont pas en mouvement de translation uniforme l'un par rapport à l'autre.

Sommaire de ce chapitre ( Paragraphe Précédent / Suivant )

  1. Qu'est-ce que la Relativité ?
  2. Relativité Restreinte
  3. Relativité Générale
  4. Définitions
  5. Bibliographie

1. Qu'est-ce que la Relativité ? ( Paragraphe Précédent / Suivant )

"A l'échelle humaine, la vitesse de la lumière est prodigieusement grande (environ 300 000 km/s). Lorsqu'une source lumineuse quelconque (flash lumineux, laser...) nous envoie un signal, la lumière nous apporte une information quasi-instantanée. Nous croyons voir l'espace à un instant donné. Le temps nous semble absolu, séparé de l'espace." [AND Théorie - Partie 1]

Imaginons deux observateurs O et O', en mouvement relatif l'un par rapport à l'autre, qui veulent régler leurs montres par échange de signaux optiques. Supposons par ailleurs que les deux montres soient synchronisées, par un moyen quelconque, de façon qu'elles indiquent la même heure à un même instant initial t = t' = 0. A cet instant initial, chaque observateur émet alors un signal vers l'autre. Quel temps indique alors chaque montre quand chaque observateur reçoit le signal de l'autre ? Il est évident que ce n'est pas le même temps.
En effet, "la durée de la transmission n'est pas la même dans les deux sens puisque l'observateur O, par exemple, marche au devant de la perturbation optique émanée de O', tandis que l'observateur O' fuit devant la perturbation émanée de O. Les montres marqueront le temps local de chaque observateur, de sorte que l'une d'elles semblera retarder sur l'autre." [POI L'Etat]
Le temps indiqué serait le même pour les deux observateurs uniquement dans le cas d'observateurs fixes l'un par rapport à l'autre ou dans l'hypothèse de pensée d'une lumière ayant une vitesse infinie.

"L'univers instantané n'est pas observable. Il apparaît comme un Espace-temps où chaque objet observé est vu en un point de l'espace et en un point du temps qui n'est pas le même pour tous les points de l'espace." [AND Théorie - Partie 1]

2. Relativité Restreinte ( Paragraphe Précédent / Suivant )

2.1. Historique

"Jusqu'à la fin du 19e siècle, la mécanique classique, fondée par Galilée et Newton, constituait une base incontestée de la physique.
En 1887, un physicien américain, Albert Michelson, et son collègue Edward Morley, montrèrent que la vitesse de la lumière ne vérifiait pas la loi galiléenne d'addition des vitesses. La vitesse de la lumière dans le vide était au contraire indépendante du mouvement de la source émettrice.
A la fin du 19e siècle, une seconde énigme vient perturber les certitudes des savants. Les fameuses Equations du britannique James Maxwell, qui décrivent la totalité des phénomèmes de l'électromagnétisme, n'ont plus la même forme lorsqu'on les transpose d'un système de référence dans un autre par translation uniforme.
Le principe galiléen ne devrait-il pas être, sinon abandonné, tout au moins réadapté ?
En 1905, Henri Poincaré pose les bases fondamentales de la Relativité Restreinte qui efface d'un seul coup toutes les angoisses des physiciens concernant ces deux énigmes.
En 1915, Albert Einstein élabore la Relativité Générale avec l'aide de divers mathématiciens, pour prendre en compte notamment la gravitation relativiste." [HLA Pour_comprendre]

Aujourd'hui, il reste un dernier défi à relever : l'unification de la Relativité Générale et de la Théorie quantique afin de rendre cohérent gravitation à l'échelle macroscopique et interaction gravitationnelle à l'échelle microscopique, où entre en jeu le caractère quantique des particules élémentaires.

2.2. Transformation de Lorentz-Poincaré

image Relativite : Referentiels

On considère un référentiel R' en translation uniforme à la vitesse V par rapport à un référentiel R (voir Figure ci-dessus).
Les deux référentiels ont leur origine O et O' qui coincident au temps t = 0.
Soit un point quelconque M d'abcisses x' dans R' et x dans R.

La transformation de Galilée faisant passer de R à R' s'écrit classiquement :
    (G1) x' = x - V t
    (G2) t' = t

La tranformation de Lorentz-Poincaré introduit une nouvelle entité pour décrire les phénomènes physiques : l'Espace-temps, et s'écrit :
    (L1) x' = gamma (x - V t)
    (L2) t' = gamma (t - B x)
    (L3) gamma = 1 / (1 - V2/c2)1/2 et B = V / c2
c est une constante (constante de structure de l'espace-temps) qui s'apparente à une vitesse limite et qui apparaît au cours de la démonstration des équations (L). La constante c est prise égale à la plus grande vitesse mesurée actuellement qui est celle des phénomènes électromagnétiques dans le vide, en l'occurence la vitesse de la lumière dans le vide.
A noter que la vitesse de la lumière étant ralentie dans des milieux divers selon leur indice n de réfraction, il est possible d'accélérer des particules qui vont plus vite que la lumière dans ce même milieu.
A noter également que si deux particules lumineuses s'éloignent l'une de l'autre, leur vitesse relative est encore égale à c et non pas 2c (loi de composition des vitesses. Voir ci-dessous).

2.3. Démonstration

En 1975, Jean-Marc Lévy-Leblong publie un article sur la Relativité Restreinte présenté sous forme moderne déduite uniquement des propriétés de l'espace et du temps (postulats de Poincaré), sans recours à l'électromagnétisme [LEV One_more]. Le postulat d'Einstein sur l'invariance de la vitesse de la lumière dans tous les référentiels apparaît alors comme une simple conséquence de la transformation de Lorentz-Poincaré décrivant la Relativité Restreinte.
En 2001, Jean Hladik publie, avec l'un de ses collègues Michel Chrysos, le premier ouvrage sur la Relativité Restreinte présenté sous cette forme moderne [HLA Pour_comprendre].
En s'inspirant des ouvrages listés en Bibliographie ci-dessous, nous présentons ici une démonstration élégante et rigoureuse de la transformation de Lorentz-Poincaré, basée uniquement sur les quatre postulats de Poincaré.

Postulat n°1 : L'espace est homogène et isotrope
L'espace a les mêmes propriétés en tout point et en toute direction. Autrement dit, l'espace est invariant par translation et rotation.
Postulat n°2 : Le temps est homogène
Le temps est identique en tout point d'un même référentiel. Toutes les horloges fixes d'un référentiel donné doivent être strictement réglées à une même heure. Autrement dit, le temps est invariant par translation.
Postulat n°3 (Principe de relativité) : Les lois des phénomèmes physiques doivent être les mêmes, soit pour un observateur fixe, soit pour un observateur entraîné dans un mouvement de translation uniforme.
Autrement dit, la forme des équations qui décrivent les phénomènes mécaniques est invariante par changement de référentiel par translation uniforme.
Postulat n°4 : La causalité doit être respectée
Lorsqu'un phénomème A est la cause d'un phénomème B, alors A doit avoir lieu avant B dans tout référentiel.

Les postulats d'homogénéité de l'espace et du temps induisent que la transformation cherchée est linéaire, donc de la forme suivante :
    (Ha) x' = C(V) x + D(V) t
    (Hb) t' = E(V) t + F(V) x
    (Hc) avec V > 0 ou V = 0
les quatre fonctions C, D, E et F étant à déterminer.
Au point particulier M = O' nous devons avoir : x' = 0 et x = V t
Les équations (H) s'écrivent alors :
    (C1a) x' = gamma (x - V t)
    (C1b) t' = gamma (A t - B x)
Les inconnues à trouver deviennent gamma, A et B, toutes trois fonction uniquement de V, soit : gamma = gamma(V) ; A = A(V) ; B = B(V).

Quand V = 0, on doit avoir : x' = x et t' = t, correspondant à la transformation identité. On en déduit que :
    (C2) gamma(0) = 1

Le postulat d'isotropie de l'espace induit que la forme des équations est invariante par réflexion (x -> -x ; x' -> -x' ; V -> -V) correspondant au passage du référentiel " -R " au référentiel " -R' ". On en déduit que :
    (C3a) gamma(V) = gamma(-V)
    (C3b) A(V) = A(-V)
    (C3c) B(V) = - B(-V)

Le postulat d'invariance de forme induit que la forme des équations est invariante par transformation inverse (x' <-> x ; t' <-> t ; V <-> -V) correspondant à l'échange des référentiels R et R'. On en déduit que :
    (C4a) x = gamma(-V) (x' + V t')
    (C4b) t = gamma(-V) (A(-V) t' - B(-V) x')
Compte-tenu des relations (C1)(C3), on en déduit que :
    (C5a) A = 1
    (C5b) gamma2 (1 - V B) = 1
Il reste donc à déterminer l'inconnue B.

Le postulat d'invariance de forme induit que la forme des équations est invariante par composition des transformations (R -> R') et (R' -> R"). Compte-tenu de la relation générale (C5a), on en déduit que :
    (C6a) x" = gamma(U) (x' - U t')
    (C6b) t" = gamma(U) (t' - B(U) x')
U est la vitesse de translation uniforme de R" par rapport à R'
On pose W comme vitesse de translation uniforme de R" par rapport à R.
Compte-tenu de la relation (C1), on en déduit que :
    (C7a) W = (V + U) / (1 + U B)
    (C7b) B(U) / U = B / V
La relation (C7a) est la loi de composition des vitesses.
La relation (C7b) montre que B est de la forme :
    (C8) B(V) = b V
où b est une constante quelconque (négative, nulle ou positive).
Compte-tenu de la relation particulière (C2), la relation (C5b) s'écrit alors :
    (C9) gamma2 = 1 / ( 1 - b V2) avec gamma > 0
Compte-tenu des relations (C8)(C9), les équations (C1) s'écrivent alors :
    (C10a) x' = (x - V t) / (1 - b V2)1/2
    (C10b) t' = (t - b V x) / (1 - b V2)1/2
    (C10c) b V2 < 1
Il reste donc à déterminer l'inconnue b.

Soit M1 et M2 deux points quelconques du référentiel R.
Compte-tenu de la relation (C10b), on en déduit que :
    (t2' - t1')/(t2 - t1) = ( 1 - b V ((x2 - x1)/(t2 - t1)) ) / (1 - b V2)1/2

Le postulat de causalité induit que le signe de l'intervalle de temps (t2 - t1) dans R ne doit pas changer lors du passage en (t2' - t1') dans R'. Cela s'écrit :
    (C11) b V (x2 - x1)/(t2 - t1) < 1
Si b est négatif, cette relation n'est pas vérifiée pour toutes valeurs de V, (x2 - x1) et (t2 - t1). Le postulat de causalité n'est donc pas respecté pour le cas b < 0.
Si b est positif ou nul, on peut l'écrire sous la forme suivante :
    (C12) b = 1 / u2 > 0 où u est une constante positive homogène à une vitesse.
La relation (C10c) s'écrit alors :
    (C13) V / u < 1
La constante u s'apparente donc à une vitesse limite. On en déduit que, quelles que soient les valeurs de (x2 - x1) et (t2 - t1) :
    (C14) ( (x2 - x1)/(t2 - t1) ) / u < 1
Compte-tenu des relations (C12)(C13)(C14), la relation (C11) est donc vérifiée. Le postulat de causalité est donc respecté pour le cas b > 0 ou b = 0.
A noter que certains auteurs, dont J. HLADIK, arrivent à cette même conclusion (b > 0 ou b = 0) sans utiliser le postulat de causalité.

En pratique, la limite mathématique u est prise pertinemment égale à la vitesse c de la lumière dans le vide.

3. Relativité Générale ( Paragraphe Précédent / Suivant )

3.1. Historique

La Relativité Restreinte s'applique uniquement aux référentiels en translation uniforme et dans un Espace-temps où les effets gravitationnels sont complètement négligés, comme si la matière n'existait pas.
Einstein va repenser la notion de gravitation Newtonienne, laquelle, se propageant instantanément, n'est plus compatible avec l'existence d'une vitesse limite.
Il va également postuler que toutes les lois de la Nature doivent avoir la même forme dans tous les référentiels, quel que soit leur état de mouvement (uniforme ou accéléré).
La Relativité Générale était née.

3.2. Les équations d'Einstein

image Relativite : Courbure

Les équations fondamentales de la Relativité Générale, appelées Equations d'Einstein ou Equations du champ de gravitation, relient une déformation locale de la géométrie de l'Espace-temps à la présence de tensions locales (voir Figure ci-dessus).
Ces équations peuvent être vues comme une généralisation de la loi d'élasticité de Hooke en milieu continu peu déformé, pour laquelle la déformation d'une structure élastique est proportionnelle à la tension qui s'exerce sur cette structure.
Les équations d'Einstein s'écrivent :

Eab = KHI Tab
avec : Eab = Rab - (1/2) gab R + LAMBDA gab

Eab est le Tenseur d'Einstein qui mesure la déformation locale de la géométrie de l'espace-temps et qui représente sa courbure en un point donné. Il n'y a plus de forces de gravitation en Relativité Générale puisque cette courbure de l'espace-temps en tient lieu. Ce tenseur a pour propriété remarquable d'avoir une Divergence nulle.

Tab est le Tenseur Energie-impulsion qui décrit en un point de l'espace-temps l'énergie et l'impulsion associée à la matière, ou à tout autre forme de champ non gravitationnel comme par exemple le champ électromagnétique. Ce tenseur dépend de la pression p et de la densité rho du milieu physique qui emplit l'espace. Ce tenseur est construit de telle manière que sa Divergence nulle exprime la conservation locale de l'impulsion et de l'énergie.

a et b sont les indices des différents tenseurs, avec a et b allant de 0 à 3.

KHI est le coefficient de proportionnalité. Il vaut : KHI = 8 Pi G / c4 (en m-1.kg-1.s2). Ce coefficient a été choisi de façon à vérifier l'équation de Poisson de la gravitation Newtonienne comme cas particulier des équations d'Einstein.

G est la constante de gravitation universelle (G = 6,6726 10-11 m3.kg-1.s-2).

c est la vitesse de la lumière dans le vide (c = 2,99792458 108 m.s-1).

gab est le Tenseur métrique, solution des équations d'Einstein. Les 16 composantes gab de ce tenseur sont appelées potentiels de gravitation.

Rab est le Tenseur de Ricci, obtenu par Contraction du Tenseur de courbure.

R est la Courbure de Ricci (ou courbure scalaire), obtenu par Contraction du Tenseur de Ricci

LAMBDA est la constante cosmologique de dimension m-2. Elle ne fut introduite par Einstein que ultérieurement lors d'applications à la cosmologie. Le problème du mouvement des planètes, considérées comme des particules dans un espace vide autour du soleil, se résoud en prenant LAMBDA = 0 et Tab = 0. Alors qu'en cosmologie, pour déterminer le modèle d'univers, on prend a priori une valeur LAMBDA non nulle et on considère l'espace universel comme empli d'un véritable gaz de galaxies de densité rho et de pression p = 0.

Pour toute équation tensorielle de type A = 0, on démontre que ses composantes gardent la même forme dans tout changement de coordonnées. L'utilisation du formalisme tensoriel permet ainsi à toute loi physique, exprimée avec les équations d'Einstein, de rester invariante dans tout changement de référentiel (principe de relativité générale). C'est là toute l'extraordinaire puissance du calcul tensoriel.
Quant aux équations d'Einstein elles-mêmes, elles ne se démontrent pas à partir de principes plus fondamentaux. C'est là tout le génie d'Einstein de les avoir postuler.

3.3. Résolution des équations d'Einstein

Les composantes du tenseur d'Einstein Eab sont fonction uniquement des potentiels de gravitation gab et de leurs dérivées première et seconde. Ces composantes sont linéaires par rapport aux dérivées secondes et font intervenir les Symboles de Christoffel fonction de ces gab.
La résolution de ces équations différentielles couplées du second ordre est extrêmement ardue.
La symétrie des tenseurs Rab, gab et Tab réduit à 10 le nombre d'équations distinctes et les 4 conditions de Divergence nulle les ramènent à 6 équations indépendantes.
De leur côté, par symétrie, 10 seulement des gab sont distincts et, dans un quadri-espace, on peut choisir en chaque point arbitrairement les valeurs de 4 d'entre eux, ce qui réduit à 6 également le nombre des fonctions gab à déterminer.

image Relativite : Metriques

Plusieurs Métriques relativistes sont ensuite disponibles en Relativité Générale (voir Figure ci-dessus).
La Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (F) est utilisée en cosmologie pour décrire l'évolution de l'univers aux grandes échelles. Elle constitue l'outil principal amenant la construction du modèle cosmologique standard : la théorie du Big Bang.
La Métrique de Schwarzschild (S1, S2...) décrit la géométrie autour des masses (M1, M2...).
La Métrique de Minkowski (K) décrit la géométrie loin des masses importantes, sur la partie asymptotiquement plate des métriques précédentes, selon un Espace-temps euclidien tangent de la Relativité Restreinte.

3.4. Résolution des équations d'Einstein avec la Métrique de Schwarzschild

En faisant l'hypothèse que le champ gravitationnel des corps est statique et à symétrie centrale (Métrique de Schwarzschild), comme c'est le cas pour le Soleil et de nombreux astres, alors les potentiels de gravitation gab s'expriment en coordonnées sphériques (r, theta, phi) en fonction de deux paramètres nu et alpha fonctions uniquement de r.
Ces gab permettent de calculer les composantes du Tenseur de Ricci (Rab) puis, par Contraction, la Courbure de Ricci (R). Voir calculs détaillés ci-après.

Dans le cas particulier d'une constante cosmologique nulle (LAMBDA = 0) et d'un champ de gravitation dans le vide (c'est-à-dire pour un Tenseur Energie-impulsion (Tab) nul), alors les équations d'Einstein se réduisent à un système de deux équations différentielles des fonctions nu et alpha. Leur intégration donne les expressions de nu et alpha. Voir calculs détaillés ci-après.
Finalement, la Métrique de Schwarzschild ds2 se détermine complètement comme suit :
    g00 = -(1 - psi/r)
    g11 = 1/(1 - psi/r)
    g22 = r2
    g33 = r2 sin2[theta]
    gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3
où psi est une constante appelée rayon de Schwarzschild ou rayon gravitationnel.

Dans le cas particulier d'un champ de gravitation créé par une masse M centrale symétrique, on a : psi = 2 G M / c2, obtenu en comparant le g00 de Schwarzschild avec le g00 de l'approximation Newtonienne.
Les valeurs particulières r = 0 et r = psi, qui rendent infini les coefficients g00 et g11, délimitent une région singulière qui se trouve en pratique située profondément à l'intérieur de la masse M, ce qui n'est pas gênant pour les planètes, étoiles ordinaires et étoiles à neutrons.
Pour les trous noirs, la singularité r = psi peut être éliminée par un choix convenable du système de coordonnées. En revanche, la singularité r = 0 est une singularité du Tenseur métrique g qui marque la limite de la description des trous noirs par la Relativité Générale et nécessite sans doute de recourir à une théorie quantique de la gravitation qui n'existe pas encore vraiment à ce jour.
Lorsque r tend vers l'infini, les coefficients gab se réduisent aux composantes de la Métrique de Minkowski exprimée en coordonnées sphériques. L'espace-temps décrit par la métrique de Schwarzschild est donc asymptotiquement plat.

Pour finir, on écrit et on résoud les équations de Géodésiques qui décrivent alors le mouvement des systèmes matériels et des photons dans l'espace considéré. Lorsque leur masse m est petite devant la masse M du corps central de la métrique de Schwarzschild, on démontre que leurs trajectoires (orbites) sont planes et deviennent des ellipses quand r tend vers l'infini.


Calcul détaillé des composantes gab, Rab, R, Eab, alpha et nu [GOUR Relativité Générale] :

Dans le cas d'un champ gravitationnel statique et à symétrie centrale (Métrique de Schwarzschild), les potentiels de gravitation gij du Tenseur métrique sont les suivants :
    g00 = -e2 nu
    g11 = e2 alpha
    g22 = r2
    g33 = (r2) sin2[theta]
    gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3
    où nu et alpha sont des fonctions uniquement de r.
Les potentiels de gravitation gij du Tenseur métrique inverse sont alors les suivants tels que : gij gjk = DELTAik
où DELTA est le Symbole de Kronecker.
    g00 = -e-2 nu
    g11 = e-2 alpha
    g22 = 1/r2
    g33 = (1/r2) sin-2[theta]
    gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3

Les symboles de Christoffel GAMMAijk s'écrivent ensuite par les relations : GAMMAijk = (1/2) gil (glk,j + glj,k - gjk,l)
    GAMMA001 = GAMMA010 = nu'
    GAMMA100 = e2 (nu - alpha) nu' ; GAMMA111 = alpha' ; GAMMA122 = -r e-2 alpha ; GAMMA133 = -r sin2[theta] e-2 alpha
    GAMMA212 = GAMMA221 = 1/r ; GAMMA233 = -cos[theta] sin[theta]
    GAMMA313 = GAMMA331 = 1/r ; GAMMA323 = GAMMA332 = 1/ tan[theta]
    où nu' = d(nu)/dr et alpha' = d(alpha)/dr
    Les autres symboles de Christoffel sont tous nuls.

Les composantes Rij du Tenseur de Ricci s'écrivent ensuite par les relations : Rij = Rkikj = GAMMAkij,k - GAMMAkik,j + GAMMAkkl GAMMAlij - GAMMAkjl GAMMAlik
    R00 = e2 (nu - alpha) ( nu" + (nu')2 - nu' alpha' + 2 nu'/r )
    R11 = -nu" - (nu')2 + nu' alpha' + 2 alpha'/r
    R22 = e-2 alpha ( r (alpha' - nu') - 1 ) + 1
    R33 = sin2[theta] R22
    Les autres composantes Rij sont toutes nulles.

La Courbure de Ricci s'écrit ensuite par la relation : R = gij Rij
    R = 2 e-2 alpha ( -nu" - (nu')2 + nu' alpha' + 2 (alpha' - nu')/r + (e2 alpha - 1)/r2 )

Dans le cas LAMBDA = 0, le Tenseur d'Einstein s'obtient ensuite par la relation : Eab = Rab - (1/2) gab R
    E00 = (1/r2) e2 (nu - alpha) (2 r alpha' + e2 alpha - 1 )
    E11 = (1/r2) (2 r nu' - e2 alpha + 1 )
    E22 = r2 e-2 alpha ( nu" + (nu')2 - nu' alpha' + (nu'- alpha')/r )
    E33 = sin2[theta] E22
    Les autres composantes Eij sont toutes nulles.
Les équations d'Einstein s'écrivent alors par la relation : Eab = KHI Tab
    E00 = KHI T00
    E11 = KHI T11
    E22 = KHI T22
    E33 = KHI T33
    0 = KHI Tij pour i et j pris différents entre 0 et 3

Dans le cas Tab = 0, les équations d'Einstein se réduisent alors aux 3 équations suivantes :
    2 r alpha' + e2 alpha - 1 = 0
    2 r nu' - e2 alpha + 1 = 0
    nu" + (nu')2 - nu' alpha' + (nu'- alpha')/r = 0
La première équation s'intègre en :
    alpha = -(1/2) ln[ 1 - psi/r]
où psi est une constante.
En reportant cette valeur de alpha dans la seconde équation, cette dernière s'intègre en :
    nu = (1/2) ln[ 1 - psi/r] + b0
où b0 est une constante.
La nullité du champ de gravitation à l'infini (de manière à assurer une métrique asymptotiquement plate avec nu = 0 quand r tend vers l'infini) nécessite que : b0 = 0.
En reportant ces valeurs de alpha et nu dans la troisième équation, cette dernière est toujours satisfaite.
Finalement, on trouve :
    g00 = -(1 - psi/r)
    g11 = 1 / (1 - psi/r)

3.5. Résolution des équations d'Einstein avec la Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker

En faisant l'hypothèse que l'espace-temps est spatialement homogène et isotrope (Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker), alors les potentiels de gravitation gab s'expriment en coordonnées sphériques (r, theta, phi) en fonction de deux paramètres k (constante) et a (fonction de t uniquement).
Ces gab permettent de calculer les composantes du Tenseur de Ricci (Rab) puis, par Contraction, la Courbure de Ricci (R).
En faisant ensuite le choix d'un modèle Fluide Parfait pour le Tenseur Energie-impulsion (Tab), on calcule ses composantes en fonction de la pression p et de la densité rho du milieu physique qui emplit l'espace.
Les équations d'Einstein se réduisent alors à un système de deux équations différentielles des fonctions a(t), rho(t) et p(t), appelées équations de Friedmann :
    (F1) (a'/a)2 + k (c/a)2 = (1/3) rho KHI c4 + (1/3) LAMBDA c2
    (F2) a"/a = -(1/6) (rho + 3 p/c2) KHI c4 + (1/3) LAMBDA c2
On complète le système en se donnant une équation d'état du fluide cosmique de type p = p(rho). Un exemple d'équation d'état souvent utilisé est : p = w rho c2 où w est une constante qui vaut -1 (vide quantique), 0 (pression nulle) ou 1/3 (radiation électromagnétique).
Le système se réduit alors à une seule équation différentielle de la fonction a(t) :
    (a')2 + k c2 = A a-(1 + 3 w) + B a2
    avec A = (1/3) rho0 KHI c4 (a0)3(1 + w)
    et B = (1/3) LAMBDA c2
Cette équation différentielle s'intègre analytiquement sous certaines conditions pour w, k et LAMBDA, ce qui détermine complètement a(t) et la métrique ds2. Voir calculs détaillés ci-après.
A noter que, pour rho0 > 0 et w > -(1/3), la quantité a' tend vers l'infini quand a tend vers 0, correspondant à l'explosion primordiale de l'univers (théorie du Big Bang).

A noter certaines solutions particulièrement simples pour a(t) :

Univers d'Einstein
C'est le modèle cosmologique statique avec : a(t)= a0 ; rho(t) = rho0 ; p(t) = p0
où a0, rho0 et p0 sont trois constantes.
La seconde équation de Friedmann (F2) devient alors : LAMBDA = (1/2) (rho0 + 3 p0/c2) KHI c2
A noter qu'en dehors du vide (rho0 = p0 = 0), une solution statique ne peut exister qu'avec une constante cosmologique (LAMBDA) non nulle.
En reportant cette valeur de LAMBDA dans la première équation de Friedmann (F1), on obtient :
    k /a02 = (1/2) KHI c2 (rho0 + p0/c2)
Si le fluide cosmique satisfait à la condition d'énergie faible au sens strict, alors on a : rho0 + p0/c2 > 0 et donc nécessairement : k > 0, donc : k = 1
a(t) est ainsi déterminé comme suit :
    a(t) = a0 = ( (1/2) KHI c2 (rho0 + p0/c2) )-1/2

Espace-temps de De Sitter
C'est le modèle cosmologique du vide (rho = p = 0) avec k = 0 (courbure plate) et LAMBDA non nul.
La première équation de Friedmann (F1) devient : (a'/a)2 = (H0)2
    avec H0 = c (LAMBDA / 3)1/2
Cette équation s'intègre en :
    a(t) = a0 eH0 t
    où a0 est une constante.

Espace-temps d'Einstein-De Sitter
C'est le modèle cosmologique sans pression (p = 0) avec k = 0 (courbure plate) et LAMBDA = 0
Si le fluide cosmique a une équation d'état de type : p = w rho c2, alors : w = 0 et rho(t) = rho0 (a0 / a(t))3 selon le calcul détaillé ci-après.
En reportant cette valeur de rho(t) dans la première équation de Friedmann (F1), on trouve :
    a a'2 = (4/9) (a0)3 / (T0)2
    avec T0 = ( (3/4) KHI c4 rho0 )-1/2
Cette équation s'intègre en :
    a(t) = a0 (t/T0 + b0)2/3
    où a0, rho0 et b0 sont des constantes.
La constante b0 est généralement fixée à 0 par un choix d'origine de la coordonnée t sous réserve d'ajuster les constantes a0 et rho0 tel que : a0 = a(t = T0) et rho0 = rho(t = T0).

Espace-temps d'Einstein-De Sitter avec constante cosmologique non nulle
C'est le modèle cosmologique sans pression (p = 0) avec k = 0 (courbure plate) et LAMBDA non nul
Si le fluide cosmique a une équation d'état de type : p = w rho c2, alors : w = 0 et rho(t) = rho0 (a0 / a(t))3 selon le calcul détaillé ci-après.
En reportant cette valeur de rho(t) dans la première équation de Friedmann (F1), on trouve :
    a a'2 = A + B a3
    avec A = (1/3) rho0 KHI c4 (a0)3
    et B = (1/3) LAMBDA c2
Cette équation s'intègre en :
    a(t) = (A/B)1/3 sinh2/3[(3/2) B1/2 t + b0]
    où a0, rho0 et b0 sont des constantes.
La constante b0 est généralement fixée à 0 par un choix d'origine de la coordonnée t sous réserve d'ajuster les constantes a0 et rho0.
A noter que, puisque a(t) tend vers 0 lorsque t tend vers 0, l'espace-temps d'Einstein-De Sitter (avec LAMBDA quelconque) est un modèle avec Big-Bang contrairement à l'Univers d'Einstein et à l'Espace-temps de De Sitter.


La première équation de Friedmann (F1) est présentée souvent sous la forme condensée :
    k (c/a)2 / H(t)2 = OMEGA + OMEGAv - 1
    avec :
H(t) = paramètre de Hubble (de dimension s-1) = a'/a. H(t) augmente très lentement avec le temps car l'Univers est en expansion (a'(t) > 0). Sa valeur actuelle H0 (appelée constante de Hubble) vaut environ 70 (km/s)/Mpc, avec 1 pc = 1 parsec = 3,2616 années-lumière = 3,085677581 1016 m
OMEGA(t) = paramètre de densité (sans dimension) = (8/3) Pi G rho(t) / H(t)2
OMAGAv(t) = constante cosmologique réduite (sans dimension) = (1/3) LAMBDA c2 / H(t)2
q(t) = paramètre de décélération (sans dimension) = -a a"/ (a')2 = -1 - H'(t)/H(t)2


Calcul détaillé des composantes gab, Rab, R, Eab, Tab et a(t) [GOUR Relativité Générale] :

Dans le cas d'un espace-temps spatialement homogène et isotrope (Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker), les potentiels de gravitation gij du Tenseur métrique sont les suivants :
    g00 = -1
    g11 = a2 (1 - k r2)-1
    g22 = a2 r2
    g33 = a2 r2 sin2[theta]
    gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3
    où k est une constante (0, 1 ou -1) et a une fonction de t uniquement.
Les potentiels de gravitation gij du Tenseur métrique inverse sont alors les suivants tels que : gij gjk = DELTAik
où DELTA est le Symbole de Kronecker.
    g00 = -1
    g11 = a-2 (1 - k r2)
    g22 = a-2 (1/r2)
    g33 = a-2 (1/r2) sin-2[theta]
    gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3

Les symboles de Christoffel GAMMAijk s'écrivent ensuite par les relations : GAMMAijk = (1/2) gil (glk,j + glj,k - gjk,l)
    GAMMA011 = a a' (1/c)/(1 - k r2) ; GAMMA022 = a a' r2 (1/c) ; GAMMA033 = a a' r2 (1/c) sin2[theta]
    GAMMA101 = GAMMA110 = a' (1/c)(1/a) ; GAMMA111 = k r / (1 - k r2) ; GAMMA122 = -r (1 - k r2) ; GAMMA133 = -r (1 - k r2) sin2[theta]
    GAMMA202 = GAMMA220 = a' (1/c)(1/a) ; GAMMA212 = GAMMA221 = 1/r ; GAMMA233 = -cos[theta] sin[theta]
    GAMMA303 = GAMMA330 = a' (1/c)(1/a) ; GAMMA313 = GAMMA331 = 1/r ; GAMMA323 = GAMMA332 = 1/ tan[theta]
    où a' = d(a)/dt
    Les autres symboles de Christoffel sont tous nuls.

Les composantes Rij du Tenseur de Ricci s'écrivent ensuite par les relations : Rij = Rkikj = GAMMAkij,k - GAMMAkik,j + GAMMAkkl GAMMAlij - GAMMAkjl GAMMAlik
    R00 = -3 a" (1/a)(1/c2)
    R11 = (a a" + 2 a'2 + 2 k c2)(1/c2)/(1 - k r2)
    R22 = (a a" + 2 a'2 + 2 k c2) (r/c)2
    R33 = sin2[theta] R22
    Les autres composantes Rij sont toutes nulles.

La Courbure de Ricci s'écrit ensuite par la relation : R = gij Rij
    R = 6 (1/c2)(b + a"/a)
    avec b = (a'/a)2 + k (c/a)2

Le Tenseur d'Einstein s'obtient ensuite par la relation : Eab = Rab - (1/2) gab R + LAMBDA gab
    E00 = R00 + (R/2) - LAMBDA
    E11 = ( (2b + a"/a)/c2 - 3 (b + a"/a)/c2 + LAMBDA ) a2 /(1 - k r2)
    E22 = E11 r2 (1 - k r2)
    E33 = E22 sin2[theta]
    Les autres composantes Eij sont toutes nulles.

Pour un Fluide Parfait de densité rho et de pression p, le Tenseur Energie-impulsion s'obtient ensuite par la relation : Tij = (c2 rho + p)(vi /c)(vj /c) + p gij
L'hypothèse d'isotropie spatiale induit que l'observateur est co-mobile avec le fluide.
L'hypothèse d'homogénéité spatiale induit également que rho et p sont des quantités fonction de t uniquement.
D'où l'expression de Tij :
    T00 = rho c2
    T11 = p a2 /(1 - k r2)
    T22 = T11 r2 (1 - k r2)
    T33 = T22 sin2[theta]
    Les autres composantes Tij sont toutes nulles.

Les équations d'Einstein s'écrivent alors par la relation : Eab = KHI Tab
    E00 = KHI T00
    E11 = KHI T11
    E22 = KHI T22
    E33 = KHI T33
    Eij = KHI Tij pour i et j pris différents entre 0 et 3

Les équations d'Einstein se réduisent alors aux 2 équations suivantes :
    b = (1/3) rho KHI c4 + (1/3) LAMBDA c2
    (1/2) b + a"/a = (1/2) LAMBDA c2 - (1/2) p KHI c2
En reportant la première équation dans la seconde, on obtient les équations de Friedmann :
    (a'/a)2 + k (c/a)2 = (1/3) rho KHI c4 + (1/3) LAMBDA c2
    a"/a = -(1/6) (rho + 3 p/c2) KHI c4 + (1/3) LAMBDA c2
En dérivant la première équation par rapport à t et en remplaçant a" dans la seconde, on obtient la relation simple suivante :
    d(rho)/dt = -3 (a'/a)(rho + p/c2)
Dans le cas d'une équation d'état du fluide cosmique de type : p = w rho c2, cette relation devient :
    d(rho)/(rho) = -3 (1 + w)(da/a)
qui s'intègre en :
    rho(t) = rho0 (a0 / a(t))3(1 + w)
    où rho0 et a0 sont deux constantes.
En reportant cette expression de rho(t) dans la première équation de Friedmann (F1), on obtient une équation différentielle fonction de a(t) uniquement :
    (a')2 + k c2 = A a-(1 + 3 w) + B a2
    avec A = (1/3) rho0 KHI c4 (a0)3(1 + w)
    et B = (1/3) LAMBDA c2

4. Définitions ( Paragraphe Précédent / Suivant )

Contraction des indices

L'opération de contraction des indices d'une composante mixte d'un tenseur consiste à choisir deux indices, l'un covariant, l'autre contravariant, puis à les égaler et à sommer par rapport à cet indice deux fois répété.
Par exemple, pour un tenseur U d'ordre trois dont les composantes mixtes sont uijk, on obtient : wi = uikk = ui11 + ui22 + ... uinn
Les quantités wi ainsi obtenues, composantes contractées du tenseur U, forment les composantes d'un tenseur W d'ordre un.
A noter que l'opérateur "produit matriciel" est un cas particulier du produit tensoriel Uij * Vkl contracté sous la forme : wil = uik vkl

Convention de dérivée partielle

Afin d'alléger les expressions des dérivées des fonctions dépendant de n variables f(x1, x2... xn), on note les dérivées partielles sous les formes suivantes :
dk(f) = d(f)/d(xk) = f,k
djk(f) = d2(f)/(dxj dxk)

Convention de sommation (dite "convention d'Einstein")

Pour un espace vectoriel de dimension n ayant pour vecteurs de base l'ensemble (e1, e2... en), tout vecteur x de cet espace peut s'écrire : x = x1 e1 + x2 e2 + ... + xn en = Somme_pour_k_allant_de_1_à_n [xk ek]
Afin d'alléger cette écriture, on utilise une convention de notation consistant à supprimer le symbole "Somme", ce qui s'écrit sous forme condensée : x = xk ek où l'indice k (appelé indice muet) varie toujours de 1 à n.
La sommation s'effectue sur les indices à condition toutefois qu'ils soient répétés respectivement en haut et en bas dans un même monôme.
Quand le symbole prime est utilisé pour distinguer deux bases distinctes d'un même espace vectoriel, on peut encore simplifier la notation en plaçant le symbole prime sur l'indice plutôt que sur le vecteur : x = x'k e'k = xk' ek'
Certains termes d'une somme peuvent comporter plusieurs indices. Par exemple, dans la somme akm bm, la sommation se fait sur l'indice m. L'indice k (appelé indice libre) caractérise alors un terme particulier.
Ainsi, l'équation ck = akm bm pour n = 3 représente le système d'équations :
c1 = a11 b1 + a12 b2 + a13 b3
c2 = a21 b1 + a22 b2 + a23 b3
c3 = a31 b1 + a32 b2 + a33 b3
Il n'y a pas ici de sommation sur l'indice k, celui-ci se trouvant seul dans le même monôme.
Lorsque le monôme comporte plusieurs indices muets, la sommation se fait à la fois sur tous ces indices. Par exemple, akm bm ck pour n = 4 représente une somme de 16 termes :
akm bm ck = a11 b1 c1 + a12 b2 c1 + a13 b3 c1 + a14 b4 c1 + ... + a21 b1 c2 + ... + a44 b4 c4

Courbure de Ricci (ou courbure scalaire)

La courbure de Ricci est un nombre (R) de dimension m-2 obtenu par Contraction du Tenseur de Ricci sous la forme :
R = gij Rij = Rii

Covariance et contravariance

image Relativite : Covariance et contravariance

Pour un espace vectoriel de dimension n ayant pour vecteurs de base l'ensemble (e1, e2... en), on appelle composantes contravariantes d'un vecteur x les nombres xi tels que : x = xi ei, et composantes covariantes les nombres xj tels que : xj = x.ej (voir Figure ci-dessus).
L'appellation contravariante (resp. covariante) vient du fait que ces composantes se transforment, lors d'un changement de base, de manière contraire (resp. identique) à celle des vecteurs de base.
Les composantes contravariantes sont notées avec des indices supérieurs.
Les composantes covariantes sont notées avec des indices inférieurs.
On a les relations suivantes :
xj = xi gij
xi = xj gij
x.y = gij xi yi
Lorsque les indices varient de 0 à 3, on emploie souvent les lettres grecques (telles que alpha ou beta) plutôt que les lettres latines (telles que i ou j).
A noter que lorsque la base est orthonormée, il n'y a pas de différence entre composantes covariantes et contravariantes d'un Tenseur.

Dérivée covariante (ou gradient)

Pour tout tenseur U d'ordre 2 de composantes uij, sa dérivée covariante Grad(U) est le tenseur d'ordre 3 de composantes suivantes :
uij;k = uij,k + ulj GAMMAilk + uil GAMMAjlk
où GAMMA sont les Symboles de Christoffel.

Divergence

Pour tout tenseur U d'ordre 2 de composantes uij, sa divergence Div(U) est le tenseur d'ordre 1 obtenu en Contractant un des indices de la Dérivée covariante avec l'indice de dérivation. Ses composantes sont les suivantes :
uij;j = uij,j + ulj GAMMAilj + uil GAMMAjlj
où GAMMA sont les Symboles de Christoffel.

Effet Doppler (ou Doppler-Fizeau)

L'effet Doppler est le changement de fréquence d'un phénomène périodique induit par le mouvement de l'émetteur par rapport au récepteur. Dans le cas des ondes sonores par exemple, le son émis par une voiture qui s'approche est plus aigu que celui émis lorsqu'elle s'éloigne.
Prenons le cas général d'une onde lumineuse se propageant à la vitesse d'onde c.
Si f est la fréquence de l'onde perçue par un observateur dans un référentiel R, alors tout observateur du référentiel R' en translation uniforme de vitesse V par rapport à R percevra cette même onde à la fréquence f' suivante :
    Effet Doppler longitudinal (propagation parallèle à V) : f' = f gamma (1 - V/c)
    Effet Doppler transversal (propagation perpendiculaire à V) : f' = f gamma

Démonstration en Relativité Restreinte [ANN Electricité 2] :

Effet Doppler longitudinal (voir Figure dans Transformation de Lorentz-Poincaré) :
L'équation de l'onde lumineuse se propageant dans la direction Ox est la suivante pour l'observateur lié à R :
    s(x, t)= s0 cos[ 2 Pi f (t - x/c) ]
Pour l'observateur lié à R', elle devient s(x', t') en utilisant la transformation inverse de Lorentz-Poincaré :
    (L1') x = gamma (x' + V t')
    (L2') t = gamma (t' + B x')
    (L3) gamma = 1 / (1 - V2/c2)1/2 et B = V / c2
D'où :
    s(x', t')= s0 cos[ 2 Pi f gamma (t'(1 - V/c) + x'(B - 1/c)) ]
La fréquence f' perçue est donc :
    f' = f gamma (1 - V/c)
L'Effet Doppler longitudinal est dit du premier ordre parce qu'il dépend de (1 - V/c). Il provoque une diminution de fréquence pour V > 0 (fuite de l'observateur par rapport à l'onde) et une augmentation dans le cas contraire.
Lorsque V est petit devant c, on retrouve les formules approximatives non relativistes :
    f' = f (1 - V/c) pour des récepteur mobile et émetteur immobile par rapport au milieu
    f' = f / (1 + V/c) pour des récepteur immobile et émetteur mobile par rapport au milieu

Effet Doppler transversal (voir Figure dans Transformation de Lorentz-Poincaré) :
L'équation de l'onde lumineuse se propageant dans la direction Oy est la suivante pour l'observateur lié à R :
    s(y, t)= s0 cos[ 2 Pi f (t - y/c) ]
Pour l'observateur lié à R', elle devient s(x', y', t') en utilisant la transformation inverse de Lorentz-Poincaré :
    (L0') y = y'
    (L2') t = gamma (t' + B x')
D'où :
    s(x', y', t')= s0 cos[ 2 Pi f gamma (t' + B x' - gamma-1 y'/c) ]
La fréquence f' perçue est donc :
    f' = f gamma
L'Effet Doppler transversal est dit du second ordre. Il provoque toujours une augmentation de fréquence.

Equations d'Einstein

Voir Les équations d'Einstein

Equations de Lorentz-Poincaré

Voir Transformation de Lorentz-Poincaré

Equations de Maxwell

Toute particule de charge q et de vitesse v, soumise à un champ électrique E et à un champ magnétique B, subit la force de Lorentz F_LORENTZ = q E + v x B

Les équations de Maxwell précisent alors l'évolution des champs électromagnétiques E et B. Dans le vide, ils s'écrivent :
    div(E) = rho / eps0
    rot(E) = - dB/dt
    div(B) = 0
    rot(B / mu0) = j + eps0 dE/dt
les deux densités rho et j étant reliées par la relation de la conservation des charges : div(j) + d(rho)/dt = 0
E est le champ électrique (en m-1.V ou C-1.N ou m.kg.s-3.A-1)
B est le champ magnétique (en T ou kg.s-2.A-1)
j est la densité de courant (en m-2.A)
v est la vitesse de la particule (en m.s-1)
q est la charge électrique (en C ou s.A)
rho est la densité de charge électrique (en m-3.s.A)
mu0 est la perméabilité du vide : mu0 = 4 Pi 10-7 m.kg.A-2.s-2
eps0 est la permittivité diélectrique dans le vide : eps0 = 1 / (mu0 c2)
c est la vitesse de la lumière dans le vide (c = 2,99792458 108 m.s-1)
Les opérateurs vectoriels utilisés sont les suivants :
v1.v2 et v1 x v2 : produit scalaire et produit vectoriel de deux vecteurs quelconques v1 et v2.
div(v) et rot(v) : divergence et rotationnel du vecteur quelconque v.

On démontre (ardument) que ces équations sont invariantes par rapport aux équations de Lorentz-Poincaré.

Espace-temps

L'espace-temps est un espace à quatre dimensions où le temps n'est plus une grandeur séparée, indépendante de l'espace, mais une variable jouant le même rôle que les variables spatiales. La notion de Simultanéité n'est plus universelle.
Dans cet espace-temps, un point ou événement x(x, y, z, t) est repéré par un vecteur x à quatre dimensions appelé quadrivecteur ou 4-vecteur dont les composantes sont notées :
- En coordonnées cartésiennes : x0 = ct ; x1 = x ; x2 = y ; x3 = z
- En coordonnées sphériques : x0 = ct ; x1 = r ; x2 = theta ; x3 = phi

Genre d'un vecteur

Un vecteur quelconque v de l'Espace-temps est dit :
- du genre temps lorsque le Produit scalaire v.v < 0. C'est le cas du vecteur tangent à la trajectoire d'une particule de masse non nulle (trajectoire appelée "ligne d'univers"). Deux événements de l'Espace-temps peuvent être reliés par une information allant à une vitesse inférieure à celle de la lumière.
- du genre lumière (ou vecteur lumière ou vecteur isotrope) lorsque le Produit scalaire v.v = 0 avec v différent de 0. C'est le cas du vecteur tangent à la trajectoire d'une particule de masse nulle (photon par exemple). Deux événements de l'Espace-temps peuvent être reliés par une information allant à la vitesse de la lumière.
- du genre espace lorsque le Produit scalaire v.v > 0. C'est le cas du vecteur ni genre temps ni genre lumière. Deux événements de l'Espace-temps ne peuvent pas être reliés par une information allant à la vitesse de la lumière.

Géodésiques

Les géodésiques décrivent le mouvement des particules libres, c'est-à-dire lorsqu'elles ne sont pas soumises à une force externe (autre que la gravitation dans le cadre de la Relativité Générale).
Pour une Métrique donnée, une géodésique est la courbe (ou trajectoire) de plus courte distance entre deux points donnés.
Le mouvement des systèmes matériels et des photons dans l'espace-temps est décrit par les équations tensorielles des géodésiques. Avec la Métrique relativiste, elles s'écrivent :
(d2xi / ds2) + GAMMAilk (dxk/ds) (dxl/ds) = 0
où GAMMA sont les symboles de Christoffel.
En Relativité Restreinte (Métrique de Minkowski) avec coordonnées cartésiennes, les coefficients gij sont constants, ce qui annule tous les symboles de Christoffel. Les équations des géodésiques se réduisent alors à : d2xi / ds2 = 0 dont les solutions sont les lignes droites ordinaires : xi(s) = ai(s) s + bi

Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (ou métrique FLRW)

La Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker est une Métrique relativiste correspondant à un espace-temps spatialement homogène et isotrope.
En coordonnées sphériques (r, theta, phi), cette métrique s'écrit en prenant la convention de signe (- + + +) :
ds2 = -c2dt2 + a(t)2 ( dr2 (1 - k r2)-1 + r2 (d(theta)2 + sin2[theta] d(phi)2) )
où k est une constante appelée paramètre de courbure de l'espace qui peut être plate (k = 0), fermée (k = 1) ou ouverte (k = -1) ;
et a(t) une fonction de t uniquement, appelée facteur d'échelle ou rayon de l'univers.
La coordonnée r est sans dimension et le rayon (a) a la dimension d'une longueur.
Les potentiels de gravitation gij sont alors les suivants :
g00 = -1 ; g11 = a(t)2 (1 - k r2)-1 ; g22 = a(t)2 r2 ; g33 = a(t)2 r2 sin2[theta] ; gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3

Le signe de d(a)/dt renseigne sur l'évolution de l'univers : positif si expansion, négatif si contraction et nul si statique.
Les coordonnées (xi) décrivent alors des hypersurfaces spatiales de type espace euclidien (pour k = 0), sphérique ou elliptique (pour k = 1) et hyperbolique (pour k = -1).
Pour k = 0, on retrouve la Métrique de Minkowski : ds2 = -c2dt2 + a(t)2 ( dr2 + r2 (d(theta)2 + sin2[theta] d(phi)2) )

Métrique de Minkowski

La Métrique de Minkowski est une Métrique relativiste correspondant à l'espace-temps plat de la Relativité Restreinte. Les coordonnées sont les suivantes en prenant la convention de signe (- + + +) :
En coordonnées cartésiennes : ds2 = -c2dt2 + dx2 + dy2 + dz2
correspondant aux potentiels de gravitation gij tels que : g00 = -1 ; g11 = 1 ; g22 = 1 ; g33 = 1 ; gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3.
Cette métrique gij_MINK a les propriétés suivantes :
gij = gji = gij = gji
gij = DELTAij
où DELTA est le Symbole de Kronecker.

En coordonnées sphériques : ds2 = -c2dt2 + dr2 + r2 dtheta2 + r2 sin2[theta] dphi2
correspondant aux potentiels de gravitation gij tels que : g00 = -1 ; g11 = 1 ; g22 = r2 ; g33 = r2 sin2[theta] ; gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3.

Métrique de Schwarzschild

La métrique de Schwarzschild est une Métrique relativiste correspondant au champ gravitationnel statique et à symétrie centrale. C'est le cas du Soleil et de nombreux astres. Le corps central est à symétrie sphérique et sans être nécessairement statique (par exemple une étoile pulsante qui oscille radialement ou une étoile qui s'effondre en un trou noir en maintenant sa symétrie sphérique). Le champ gravitationnel doit être par contre statique, même s'il ne l'est pas dans la zone où se trouve la matière. A noter que le champ gravitationnel est nécessairement statique en symétrie sphérique et dans le vide (théorème de Birkhoff).
En coordonnées sphériques (r, theta, phi), cette métrique s'écrit en prenant la convention de signe (- + + +) :
ds2 = -e2 nu c2dt2 + e2 alpha dr2 + r2 d(theta)2 + r2 sin2[theta] d(phi)2
où nu et alpha sont des fonctions uniquement de r.
Les potentiels de gravitation gij sont alors les suivants :
g00 = -e2 nu ; g11 = e2 alpha ; g22 = r2 ; g33 = r2 sin2[theta] ; gij = 0 pour i et j pris différents entre 0 et 3
Démonstration :
La symétrie centrale sphérique du champ permet d'écrire la métrique sous la forme suivante :
ds2 = -N2 c2dt2 + A2dr2 + B2 (d(theta)2 + sin2[theta] d(phi)2)
où les composantes N, A et B sont des fonctions de r et de t.
La staticité du champ permet ensuite de supprimer la dépendance de t dans ces composantes.
Par ailleurs, on peut toujours choisir comme coordonnée r le rayon aréolaire des sphères d'invariance liées à la symétrie sphérique.
D'où les résultats :
N(r,t) = N(r) = enu
A(r,t) = A(r) = ealpha
B(r,t) = B(r) = r

Métrique relativiste

Si (ds) est la distance (ou intervalle) entre deux événements infiniments voisins de l'Espace-temps, alors la métrique relativiste est le carré de cette distance et s'écrit : ds2 = gij dxi dxj
Dans l'Espace-temps courbe de la Relativité Générale, cette métrique s'écrit en coordonnées cartésiennes :
ds2 = g00 (c dt)2 + g01 (c dt) dx + g02 (c dt) dy + g03 (c dt) dz +
g10 dx (c dt) + g11 dx2 + g12 dx dy + g13 dx dz +
g20 dy (c dt) + g21 dy dx + g22 dy2 + g23 dy dz +
g30 dz (c dt) + g31 dz dx + g32 dz dy + g33 dz2
Les coefficients gij sont les composantes du Tenseur métrique.

Opérateurs sur les tenseurs

Soient U, V et W des Tenseurs d'ordre quelconque et de valence quelconque portant sur les indices i,j,k,l...
En utilisant la Convention de sommation, on définit les opérations suivantes sur ces tenseurs :
- Somme (Wijk = Uijk + Vijk) de composantes : wijk = uijk + vijk
- Produit par un scalaire s (Wijk = s Uijk) de composantes : wijk = s uijk
- Produit scalaire (W = Uij.Vij) de composante : w = uij vij
- Produit tensoriel (Wijkl = Uij * Vkl) de composantes : wijkl = uij vkl
- Dérivée covariante
- Divergence
- Elévation d'indice :
    Un indice inférieur peut être changé en un indice supérieur par multiplication avec le Tenseur métrique inverse gij. Exemples :
    uik = gij ujk
    uik = gil gkm ulm
- Abaissement d'indice :
    Un indice supérieur peut être changé en un indice inférieur par multiplication avec le Tenseur métrique gij. Exemples :
    uik = gij ujk
    ulm = gjl gkm ujk
    uklm = glp ukpm
- Contraction des indices

Produit scalaire et norme de deux vecteurs

Le produit scalaire de deux vecteurs quelconques x et y s'écrit :
x.y = xi yi = xi yi = gij xi yj = gij xi yi
où les coefficients gij sont les composantes du Tenseur métrique.

La norme ||x|| d'un vecteur x quelconque est la racine carrée de la valeur absolue du produit scalaire de x par lui-même :
||x|| = (|x.x|)1/2

Simultanéité

En Relativité Restreinte, on démontre que deux événements situés en des lieux différents peuvent être simultanés dans un référentiel sans l'être dans un autre. La notion de simultanéité perd son caractère universel.
Démonstration :
Soit deux événements simultanés (x1, y1, z1, t1) et (x2, y2, z2, t2 = t1) dans le référentiel R. Dans le référentiel R' en translation uniforme par rapport à R, la durée (t'2 - t'1) entre ces deux mêmes événements s'écrit, compte-tenu des équations de Lorentz-Poincaré (L2) :
t'2 - t'1 = gamma ( (t2 - t1) - B (x2 - x1) ) = -gamma B (x2 - x1)
gamma et B étant donnés par l'équation (L3).
Lorsque les deux événements ne sont pas localisés aux mêmes points, la différence spatiale (x2 - x1) dans R n'est pas nulle. La différence temporelle (t'2 - t'1) dans R' n'est donc pas nulle malgré la simultanéité (t2 = t1) des deux événements dans R.

Symboles de Christoffel

Pour un espace vectoriel de dimension n ayant pour vecteurs de base l'ensemble (e1, e2... en), les symboles de Christoffel GAMMAijk représentent l'évolution des vecteurs de base en fonction de leur dérivée partielle.
En utilisant la Convention de dérivée partielle et la Convention de sommation, cela s'écrit : ej,k = GAMMAijk ei
GAMMA est symétrique par rapport aux indices inférieurs : GAMMAijk = GAMMAikj

GAMMA peut s'exprimer en fonction des composantes gij du Tenseur métrique :
GAMMAijk = (1/2) gil (glk,j + glj,k - gjk,l)
Démonstration :
En dérivant gij = ei.ej par rapport à xk, on obtient :
gij,k = (ei,k).ej + ei.(ej,k) = (GAMMAlik el).ej + ei.(GAMMAljk el)
D'où le résultat :
gij,k = GAMMAlik glj + GAMMAljk gil
Une permutation circulaire des trois indices i, j, k donne alors les deux égalités suivantes :
gki,j = GAMMAlkj gli + GAMMAlij gkl
gjk,i = GAMMAlji glk + GAMMAlki gjl
Ce qui donne ensuite par combinaison linéaire :
gij,k + gki,j - gjk,i = 2 GAMMAlkj gil
En multipliant les deux membres par gmi et en utilisant la relation gmi gil = DELTAml, on obtient :
GAMMAmkj = (1/2) gmi (gij,k + gki,j - gjk,i)
En renommant les indices (i en l et m en i), on obtient finalement :
GAMMAijk = (1/2) gil (glk,j + glj,k - gjk,l)

Symbole de Kronecker

L'expression du symbole DELTA de Kronecker est la suivante :
DELTAik = DELTAik = DELTAik = 1 si i = k et 0 sinon.

Symbole de Levi-Civita

L'expression du symbole EPSILON de Levi-Civita est la suivante :
EPSILONijkl... = EPSILONijkl... =
    0 si deux indices ou plus (i,j,k,l...) sont égaux
    +1 si (i,j,k,l...) est une permutation paire de (1,2,3,4...)
    -1 si (i,j,k,l...) est une permutation impaire de (1,2,3,4...)
Quand deux indices quelconques, égaux ou non, sont interchangés, le symbole est multiplié par -1 :
EPSILON...i...l... = -EPSILON...l...i...
Pour 3 indices (i,j,k) on a :
    EPSILONijk = +1 pour 123 ou 231 ou 312
    EPSILONijk = -1 pour 132 ou 213 ou 321
Pour 4 indices (i,j,k,l) on a :
    EPSILONijkl = +1 pour 1234 ou 1342 ou 1423 ou 2143 ... ou 4321
    EPSILONijkl = -1 pour 1243 ou 1324 ou 1432 ou 2134 ... ou 4312
EPSILON permet notamment d'exprimer certaines opérations vectorielles sous forme compacte :
- Produit vectoriel (w = u x v) de composantes : wi = EPSILONijk uj vk
- Rotationnel (w = rot(u)) de composantes : wi = EPSILONijk uk,j
- Déterminant (d = det(u,v,w)) de composante : d = EPSILONijk ui vj wk

Temps propre/apparent et Durée propre/apparente

Chaque corps de référence a son temps propre. Ce temps propre (ou vrai) est le temps mesuré dans le référentiel où le corps est immobile. A l'inverse, le temps apparent (ou impropre ou local ou relatif ou "mesuré") est le temps mesuré dans un référentiel mobile par rapport à ce référentiel propre.
Toutes les mesures sont réalisées par des horloges fixes dans leur référentiel et dont le mécanisme interne est généralement insensible au mouvement des référentiels.

En Relativité Restreinte, pour un référentiel donné, la durée propre (d0) est l'intervalle de temps qui sépare deux événements se produisant en un même lieu de ce référentiel. Dans tout autre référentiel, la durée est supérieure à la durée propre et s'appelle durée apparente (d). Certains auteurs parlent à ce propos de "dilatation des durées" ou de "ralentissement des horloges mobiles".

Il est plus juste de dire que les temps propre et apparent sont des temps mesurés dans des conditions différentes.

Démonstration de la relation : d > d0 [ANN Electricité 2] :
Soient deux événements se produisant dans le référentiel R en un même lieu de coordonnées (x, y, z) mais à des instants différents t1 et t2. La durée (propre) les séparant est : d0 = t2 - t1.
Pour un observateur du référentiel R' en translation uniforme à la vitesse V par rapport à R, les événements se produisent aux instants t1' et t2' donnés par les équations de Lorentz-Poincaré (L2) :
t1' = gamma (t1 - B x)
t2' = gamma (t2 - B x)
et séparés par la durée (apparente) : d = t2' - t1' = gamma (t2 - t1) = d0 / (1 - V2/c2)1/2
D'où : d > d0

Tenseur

Le terme "tenseur" fut introduit par le physicien W. Voigt pour représenter les tensions dans un solide.
Un tenseur est une fonction des coordonnées de l'espace, défini dans un espace à n dimensions par nm composantes, où m est l'ordre du tenseur. Le tenseur d'ordre 0 est un scalaire et a une seule composante. Le tenseur d'ordre 1 est un vecteur à n composantes. Le tenseur d'ordre 2 est une matrice carrée à n2 composantes.
Tout tenseur possède également une valence ou type noté (h, q) où h est le nombre d'indices Contravariants (indiqués en position supérieure) et q le nombre d'indices Covariants (indiqués en position inférieure).
Pour un tenseur quelconque W, ses composantes peuvent être contravariantes (exemple : Wijk), covariantes (exemple : Wijk) ou mixtes (exemple : Wijk est un tenseur mixte d'ordre 3 avec un indice contravariant i et deux indices covariants j et k).

Le calcul tensoriel a pour avantage de se libérer de tous les systèmes de coordonnées et les résultats des développements mathématiques sont ainsi invariants par changement de référentiel.

Tenseur d'Einstein

Le tenseur d'Einstein (Eab) mesure la déformation locale de la chrono-géométrie de l'Espace-temps et représente sa courbure en un point donné. C'est un tenseur d'ordre deux, symétrique et à Divergence nulle (Eab;a = 0).
Ses composantes sont données dans Les équations d'Einstein.
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes sont de dimension m-2.

Tenseur de courbure (ou de Riemann-Christoffel)

Le tenseur de courbure est un tenseur symétrique d'ordre quatre. En utilisant la Convention de dérivée partielle, ses composantes ont pour expression :
Rijkl = GAMMAijl,k - GAMMAijk,l + GAMMAimk GAMMAmjl - GAMMAiml GAMMAmjk
où GAMMA sont les Symboles de Christoffel.
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes sont de dimension m-2.
On a les propriétés suivantes :
Antisymétrie : Rijkl = -Rijlk
Permutation d'indices seuls : Rijkl = -Rjikl = -Rijlk
Permutation d'indices deux à deux : Rijkl = Rklij

Tenseur de Ricci

Le tenseur de Ricci (Rab) est un tenseur symétrique d'ordre deux obtenu par Contraction du Tenseur de courbure sur les premier et troisième indices.
En utilisant la Convention de dérivée partielle, ses composantes sont les suivantes :
Rij = Rkikj = GAMMAkij,k - GAMMAkik,j + GAMMAkkl GAMMAlij - GAMMAkjl GAMMAlik
où GAMMA sont les Symboles de Christoffel.
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes sont de dimension m-2.

Dans le cas particulier où la constante cosmologique et le Tenseur Energie-impulsion sont nuls tous les deux, alors le Tenseur de Ricci est nul également.
Démonstration :
En contractant les équations d'Einstein par le Tenseur métrique inverse gab, la Courbure de Ricci est liée au Tenseur Energie-impulsion par la relation : R = - KHI Taa + 4 LAMBDA
En reportant cette relation dans les équations d'Einstein, on trouve les équations équivalentes suivantes :
Rab = KHI (Tab - (1/2) gab Taa) + LAMBDA gab
Le tenseur Rab est donc nul dans le cas où LAMBDA = 0 et Tab = 0

Tenseur électromagnétique (ou tenseur de Maxwell ou tenseur de Faraday)

Les notations sont celles du paragraphe Equations de Maxwell
En Relativité Restreinte, la force de Lorentz (F_LORENTZ = q E + v x B) s'écrit sous une forme tensorielle dont les composantes sont les suivantes : Fi_LORENTZ = q Fij (vj /c)
Fij est le Tenseur électromagnétique. C'est un tenseur d'ordre 2.
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes sont de dimension m-1.V ou C-1.N ou m.kg.s-3.A-1 et s'écrivent :
Fii = 0 pour i = 0 ou i > 0
Fi0 = -F0i = Ei pour i > 0
F21 = -F12 = -c B3
F31 = -F13 = c B2
F32 = -F23 = -c B1
Ei et Bi étant respectivement les composantes spatiales des champs électrique E et magnétique B.
Par élévation d'indice (voir Opérateurs sur les tenseurs), on obtient les composantes des tenseurs Fij et Fij sous la forme suivante :

Fij = gik_MINK Fjk
Fii = 0 pour i = 0 ou i > 0
Fi0 = F0i = Ei pour i > 0
F21 = -F12 = -c B3
F31 = -F13 = c B2
F32 = -F23 = -c B1

Fij = gil_MINK Fjl
Fii = 0 pour i = 0 ou i > 0
Fi0 = -F0i = -Ei pour i > 0
F21 = -F12 = -c B3
F31 = -F13 = c B2
F32 = -F23 = -c B1

Tenseur Energie-Impulsion

Le tenseur Energie-Impulsion (Tab) peut prendre des formes très variées selon la distribution de matière ou d'énergie. En exemple : le tenseur du fluide parfait ou celui de l'électromagnétisme.
Ses composantes ont la signification suivante :
    T00 : densité d'énergie ou pression ou c2 fois la masse volumique
    Ti0 = T0i pour i > 0 : (-c) fois la composante i de la densité de l'impulsion relativiste (densité de quantité de mouvement) ou (-1/c) fois la composante i du flux d'énergie appelé aussi vecteur de Poynting (PHI)
    Tij pour i et j > 0 : composantes spatiales du tenseur des contraintes (Sij)
C'est un tenseur d'ordre deux, symétrique et construit de telle manière que sa Divergence nulle (Tab;a = 0) exprime, en mécanique des milieux continus, les deux lois de conservation de l'impulsion et de l'énergie (3 équations pour le vecteur impulsion et une équation pour l'énergie).
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes sont de dimension m-1.kg.s-2

Tenseur Energie-Impulsion du champ ElectroMagnétique

Les notations sont celles du paragraphe Equations de Maxwell
Les composantes du tenseur Energie-Impulsion (Tab_EM) du champ ElectroMagnétique sont les suivantes :
    Tij_EM = eps0 (Fim Fmj - (1/4) gij Fkl Fkl)
où :
Fij est le Tenseur électromagnétique.

Avec une Métrique de Minkowski, les calculs donnent en coordonnées cartésiennes :
    T00_EM = densité d'énergie = (1/2) eps0 (E.E + c2 B.B)
    Ti0_EM = T0i pour i > 0 correspondant à (-1/c) fois PHI avec PHI = (1/ mu0) E x B
    Tij_EM pour i et j > 0 correspondant à Sij = eps0 ( (1/2) (E.E + c2 B.B) DELTAij - (Ei Ej + c2 Bi Bj) )
où DELTA est le Symbole de Kronecker.

Tenseur Energie-Impulsion du Fluide Parfait

Un fluide est dit "parfait" quand on peut négliger les effets de viscosité et de conduction thermique, ce qui est le cas en cosmologie.
Les composantes du tenseur Energie-Impulsion (Tab_PF) du Fluide Parfait sont les suivantes :
    Tij_PF = (c2 rho + p)(vi /c)(vj /c) + p gij
où :
c2 rho et p représentent respectivement la densité d'énergie et la pression du fluide, toutes deux mesurées dans le référentiel du fluide.
v est le champ qui représente en chaque point la quadri-vitesse d'une particule de fluide.

Avec une Métrique de Minkowski et lorsque l'observateur est comobile avec le fluide, les calculs donnent en coordonnées cartésiennes :
    T00_PF = rho c2
    Ti0_PF = T0i pour i > 0 = 0
    Tij_PF pour i et j > 0 correspondant à Sij = p DELTAij
où DELTA est le Symbole de Kronecker.

Le Fluide Parfait satisfait à la condition d'énergie faible lorsque : (rho = 0 ou > 0) et (rho c2 = -p ou > -p), et à la condition d'énergie dominante lorsque : (rho c2 = |p| ou > |p|).

Tenseur métrique (ou fondamental)

Pour un espace vectoriel de dimension n ayant pour vecteurs de base l'ensemble (e1, e2... en), on note le Produit scalaire de deux vecteurs de base sous la forme : gij = ei.ej
Le tenseur métrique est le tenseur gij ayant pour composantes ces gij. C'est un tenseur d'ordre deux, symétrique et à Divergence nulle (gab;a = 0). Ses 16 composantes gij (pour i et j pris entre 0 et 3) sont appelées potentiels de gravitation. Ce sont des fonctions de x, y, z et t
En coordonnées cartésiennes, toutes les composantes sont sans dimension.

Le tenseur métrique inverse est le tenseur gij tel que : gij gjk = DELTAik
où DELTA est le Symbole de Kronecker.
On démontre les résultats suivants :
gij gij = 4
gij;k = gij;k = 0
gij gij,k = -gij gij,k
gji = DELTAji

5. Bibliographie ( Paragraphe Précédent / Début )

Les auteurs cités dans ce chapitre y sont mentionnés entre crochets sous la forme [AUTEUR Titre].

  1. ANDRILLAT H., La théorie de la relativité générale, Partie 1 : les fondements, Bulletin de l'Union des Physiciens, N°760 Janvier 1994.
  2. ANDRILLAT H., La théorie de la relativité générale, Partie 2 : la méthode, Bulletin de l'Union des Physiciens, N°762 Mars 1994.
  3. ANNEQUIN R. et BOUTIGNY J., Electricité 2, Cours de sciences physiques, Vuibert, 1974.
  4. GOURGOULHON E., Relativité restreinte - Des particules à l'astrophysique, EDP Sciences et CNRS Editions, 2010.
  5. GOURGOULHON E., Relativité générale, Observatoire de Paris, Universités Paris 6, 7 et 11, Ecole Normale Supérieure, cours UE FC5, 2013-2014.
  6. HLADIK J., Pour comprendre simplement la théorie de la Relativité, Ellipses, 2005.
  7. HLADIK J., Initiation à la Relativité restreinte et générale, Ellipses, 2013.
  8. LEVY-LEBLONG J.M., One more derivation of the Lorentz transformation, 30 April 1975.
  9. POINCARE H., L'Etat actuel et l'Avenir de la physique mathématique, Bulletin des sciences mathématiques, Vol. 28, p. 302-324, 1904.


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