Un professeur de physique de la SRU fait la lumière sur le 100e anniversaire d’une éclipse “relativement” importante

22 mai 2019

SLIPPERY ROCK, Pa. — Un test expérimental qui a eu lieu il y a 100 ans a changé la façon dont les scientifiques voient les forces de la nature. Une éclipse solaire totale, qui s’est produite le 29 mai 1919, a aidé les scientifiques à prouver la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, remplaçant les lois du mouvement de Sir Isaac Newton liées à la gravité et la croyance que la lumière se déplace en ligne droite. Deux théories universellement acceptées depuis 230 ans.

“La théorie d’Einstein était un grand écart par rapport à ce que les scientifiques pensaient auparavant des forces, et c’était son idée la plus révolutionnaire”, a déclaré Athula Herat, professeur agrégé de physique et d’ingénierie à l’Université Slippery Rock, qui enseigne des cours de physique mathématique et de mécanique quantique. “Jusqu’alors, toutes les autres forces que nous connaissions dans la nature avaient une manière de les décrire avec précision.”

Avant 1919, Einstein était un physicien allemand peu connu qui avait émis l’hypothèse que la lumière d’une autre étoile devait être courbée par la gravité du soleil. Einstein a prédit que les trois dimensions de l’espace – hauteur, largeur et profondeur – et le temps forment un continuum à quatre dimensions appelé “espace-temps”. En 1915, Einstein a publié sa théorie générale de la relativité dans laquelle des objets massifs déforment l’espace-temps après avoir affecté une autre matière.

Selon Herat, cette explication de la gravité était radicalement différente de la façon dont les scientifiques comprenaient tous les autres types de forces.

Herat a démontré ce concept en plaçant deux billes sur un morceau de papier et en soulevant la page de son bureau avec ses mains sur les côtés opposés du papier. Le papier représentait l’espace-temps et les billes n’importe quelle masse comme le soleil ou une planète. Les masses étaient attirées les unes vers les autres, roulant au centre de la page parce que le papier, ou l’espace-temps, est déformé. La lumière se plierait également et suivrait le chemin de l’espace-temps déformé, mais au début des années 1900, il n’y avait aucun moyen d’observer ce phénomène et la seule option viable était d’observer la lumière se courber autour d’objets massifs, tels que le soleil, la faisant agir comme une lentille. Cet effet connu sous le nom de lentille gravitationnelle permet aux scientifiques de voir les étoiles cachées derrière le soleil.

“Nous avions besoin du bon événement”, a déclaré Herat. “Le problème était que la lumière du soleil était si brillante que nous ne pouvions pas observer la faible lumière des étoiles se courber autour du soleil. Maintenant, grâce à la technologie moderne, nous pouvons voir loin dans l’espace et détecter les objets célestes les plus faibles, mais au début des années 1900, nous avions juste des télescopes normaux et des plaques photographiques pour capturer la lumière. Nous devions avoir le bon événement pour capturer le phénomène et cela s’est produit le 29 mai 1919. C’était le jour d’une éclipse solaire totale.

Sir Arthur Eddington, un astrophysicien britannique, a mené une expérience proposée par Sir Frank Watson Dyson pour observer la lumière de l’amas d’étoiles des Hyades se pliant lorsqu’elle passait devant le champ gravitationnel du soleil. La Royal Astronomical Society a organisé deux expéditions scientifiques à deux endroits où l’éclipse totale était visible, l’une sur une île au large de la côte ouest de l’Afrique et l’autre dans le nord du Brésil.

“Einstein était connu dans les cercles scientifiques pour ses théories révolutionnaires, mais cette observation a fait de lui une superstar”, a déclaré Herat. “Ce fut le point de départ qui l’a propulsé au rang d’icône culturelle avec ses cheveux fous et ses citations célèbres.”

Au crédit de Newton, ses calculs ont conduit les scientifiques à prédire qu’une particule voyageant à la vitesse de la lumière serait déviée par la gravité du soleil, mais seulement à 0,86 seconde d’arc, qui est l’angle formé par un triangle rectangle d’un pouce de large et 1,9 miles de haut. Einstein a correctement prédit que la lumière se plierait à 1,75 seconde d’arc, ce qui peut sembler une différence minuscule mais proportionnellement à la grande distance entre la Terre et le soleil, le doublement des secondes d’arc aggrave un écart important dans les calculs.

“C’est une différence profonde pour une théorie comme celle-ci”, a déclaré Herat. “Newton a prédit une certaine déviation, mais celle-ci était beaucoup plus grande. La gravité est la plus faible des forces que nous connaissons, et vous avez besoin d’une grande masse pour faire une différence observable, encore plus grande que le soleil. Maintenant, nous mesurons la courbure non pas à partir de le soleil, mais de regarder comment la lumière est courbée par une galaxie entière contenant des milliards d’étoiles.”

L’observation de la courbure de la lumière autour d’objets massifs est une considération importante dans l’étude de l’astrophysique, aidant les scientifiques à comprendre des choses comme les trous noirs, la matière noire et l’expansion de l’univers. Bien qu’il n’y ait pas beaucoup d’avantages commerciaux à cette observation, Herat a déclaré qu’il y a un avantage quotidien à la théorie d’Einstein que les gens utilisent quotidiennement : le GPS.

Le système GPS est basé sur un réseau de 24 satellites en orbite autour de la terre, chacun portant une horloge atomique précise. À l’aide d’un récepteur GPS portatif qui détecte les signaux de n’importe lequel des satellites qui se trouvent au-dessus de la tête, les utilisateurs d’appareils mobiles peuvent déterminer la latitude, la longitude et l’altitude pour trouver leur destination prévue, qu’il s’agisse d’un nouveau restaurant, du nouveau condo de grand-mère ou de vérifier le emplacement du dernier Snapchat de quelqu’un.

Herat souligne également un autre aspect historiquement significatif des observations de l’éclipse solaire de 1919, qui s’est produite quelques mois seulement après la fin de la Première Guerre mondiale, un conflit qui a opposé l’Allemagne et d’autres puissances centrales en Europe à des alliés dont la Grande-Bretagne.

“Vous aviez un groupe britannique qui a vérifié le travail d’un scientifique allemand”, a déclaré Herat. “Cela a peut-être eu un impact sur la façon dont les gens percevaient la nature collaborative de la science. Il pourrait y avoir des guerres entre les nations, mais les scientifiques travaillent toujours ensemble parce que la vérité prévaut. Cela a rendu ce moment encore plus emblématique.”

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