Voyage dans les mathématiques de l'espace-temps

Trous noirs, big-bang, singularités

Livre numérique

Ce livre est une invitation à découvrir le lien profond qui unit la relativité générale (la théorie de la gravitation d’Einstein) et la géométrie différentielle, branche de la géométrie issue de la découverte des géométries non-euclidiennes par Gauss et Riemann au XIXe siècle.

En abordant la relativité par ses aspects géométriques, ce livre montre que les phénomènes surprenants de la relativité, tels que le paradoxe des jumeaux, les boucles temporelles, les trous noirs, les trous de ver, ne sont que des conséquences de la géométrie de l’espace-temps.

Le livre explore également la fascinante relation entre les mathématiques et la physique à travers une des théories les plus passionnantes de notre siècle, la relativité générale, sujet particulièrement d’actualité depuis les récentes observations des ondes gravitationnelles et les observations de plus en plus directes des trous noirs. Il montre ainsi que les mathématiques, loin d’être simplement un « outil », sont une des sources d’inspiration les plus fécondes des physiciens théoriciens.

Ce livre offrira une introduction plaisante aux mathématiques de la relativité, autant à l’étudiant en sciences qu’au lecteur curieux et motivé par les découvertes scientifiques les plus fascinantes de notre époque.

Table des matières

Table des matières
Cover 1
Voyage dans les mathématiques de l’espace-temps 2
Avant-propos 6
Table des matières 8
1 Introduction 10
1.1 La géométrisation de la physique 10
1.2 Les mathématiques dans ce livre 13
1.3 Précisions sur le niveau mathématique de ce texte 14
1.4 Présentation des chapitres suivants 15
2 De l’espace et du temps à l’espace-temps. La relativité restreinte 18
2.1 Préambule 18
2.2 Les notions fondamentales d’observateur et de référentiel 19
2.3 Comparaison des expériences : changements d’observateurs, relativité 21
2.4 Mesures de distance et de durée 25
2.5 Diagrammes d’espace-temps 27
2.6 Lignes d’univers 29
2.7 Mesure de distances, pseudo-distances 30
2.8 Espace euclidien et géométrie 37
2.9 De la géométrie de Newton à la géométrie d’Einstein 50
2.10 La géométrie einstenienne par l’image 58
2.11 Conclusion 78
3 La géométrie riemannienne et les variétés différentielles 80
3.1 Les variétés différentielles : « les super-espaces » 81
3.2 La géométrie riemannienne, le langage de la relativité 85
4 Espace-temps et gravitation : la relativité Générale 90
4.1 De la relativité restreinte à la relativité générale 90
4.2 L’universalité de la chute des corps 91
4.3 Les géodésiques de l’espace-temps 94
4.4 La courbure de l’espace-temps 107
4.5 La relativité générale, une théorie géométrique 113
4.6 Visualiser l’espace-temps courbe 115
4.7 La lumière dans l’espace-temps courbe 119
4.8 Les ondes gravitationnelles 126
4.9 De la théorie à la pratique 131
4.10 Einstein s’est-il « trompé » ? La démarche scientifique 135
5 Les Singularités de l’espace-temps 138
5.1 Singularités 138
5.2 Trous noirs 145
5.3 Big-bang 153
5.4 Trous de ver 158
5.5 Réalité des singularités de l’espace-temps 162
6 Unification et Géométrisation 164
6.1 De l’unification en physique 164
6.2 Le principe du catalogue 164
6.3 La géométrisation de la physique 166
6.4 L’unification de la gravitation et de l’électromagnétisme 167
6.5 L’espace-temps de Kaluza-Klein 169
6.6 Réalité des dimensions supplémentaires 171
7 Quelques réflexions sur les mathématiques, la physique, et la vulgarisation 174
7.1 Du plaisir de faire des mathématiques 174
7.2 De l’élégance de la relativité générale 176
7.3 L’Univers sans foi ni loi 177
7.4 De l’intérêt de la recherche fondamentale 178
7.5 Des Mathématiques et de la vulgarisation 182
7.6 Dernières remarques sur les rapports entre mathématiques et physique 184
Annexe A 186
Bibliographie 208

Compléments