introduction

1. Préservation
2 changements
3 Dynamiques
4 espaces
5 heures
6 espace-temps
7 Géométrie
8 Gravité
9 trous noirs

supplément
Annexe A : Fonctions, dérivées et intégrateurs
Annexe B : Connexions et courbure
Note du traducteur
Recherche

« Si vous voulez comprendre l’espace et le temps comme un physicien, ce livre est fait pour vous. »
- Kim Beom-jun, professeur de physique, Université Sungkyunkwan

Des concepts fondamentaux de la physique à la nature de l'univers,
Conférence en direct du physicien théoricien Sean Carroll !

Depuis la nuit des temps, peut-être même avant la systématisation du langage, les humains étudient comment le monde dans lequel nous vivons s'est formé et comment il fonctionne.
Ils ont développé l'astronomie en observant les mouvements du soleil, de la lune et des étoiles, et ont donné naissance à la géométrie en mesurant la direction et la distance.
La structure a été construite en calculant la force et le poids, ainsi que la quantité de mouvement.
L'arithmétique humaine, initialement très simple, s'est progressivement complexifiée au fur et à mesure que les secrets du monde étaient révélés, et elle est devenue aujourd'hui un monde d'équations d'ordre élevé, difficiles à comprendre même pour les experts.
La philosophie naturelle, qui explorait autrefois la nature du monde uniquement par le raisonnement, est devenue aujourd'hui la physique, qui englobe des dizaines de sous-domaines.

Ce livre est le premier d'une trilogie intitulée « Les plus grandes idées de l'univers » et couvre tout, de la mécanique classique établie par Newton au XVIIe siècle aux théories de la relativité restreinte et générale découvertes par Einstein au XXe siècle.
De la mécanique classique, qui répond à des questions profondes sur la nature de l'espace, du temps et du changement, aux idées d'Einstein sur l'espace-temps courbe, et même aux phénomènes astronomiques comme les trous noirs et les ondes gravitationnelles, ce livre couvre les idées mathématiques d'il y a des siècles jusqu'aux dernières avancées de la physique.


La science moderne est désormais devenue une discipline précise, comprise seulement par un petit nombre de personnes instruites.
Dans cette série, Sean Carroll, physicien théoricien à l'université Johns Hopkins et auteur de ce livre, s'est attelé à la tâche de dévoiler les composantes les plus importantes et les plus complexes de la science moderne, devenue si systématisée et complexe.
Se présentant comme « l’examinateur le plus fiable des concepts les plus improbables », il expose les idées fondamentales qui sous-tendent la réalité de la physique moderne d’une voix unique et limpide.

La physique moderne offre des perspectives profondes sur le fonctionnement de l'univers.
Mais ces intuitions sont souvent présentées sous la forme d'équations très complexes.
Contrairement aux manuels scientifiques classiques qui introduisent indirectement la physique moderne par le biais de métaphores et d'interprétations vagues, ce livre examine directement les équations clés de la physique moderne.
En abordant de front les sujets difficiles plutôt que de tourner autour du pot, ce livre guide les lecteurs vers la compréhension des équations mêmes qu'Einstein a utilisées pour expliquer sa théorie de la relativité générale.
Dans la lignée des conférences légendaires de Richard Feynman d'il y a 60 ans, ce livre constituera une introduction brillante et inspirante à une façon de voir les choses qui résonnera à travers les cultures et les générations pour les années à venir.

Les « plus grandes idées » de l'humanité sur l'univers

La série « Les plus grandes idées de l'univers » de Sean Carroll se compose de trois livres.
Il s’agit de « l’espace, le temps et le mouvement », « le quantique et le champ », et « la complexité et l’émergence ».
Ce livre, « Les plus grandes idées de l'univers - Espace, temps et mouvement », est le premier volume et couvre tout, de la mécanique classique établie par Newton au XVIIe siècle aux théories de la relativité restreinte et générale découvertes par Einstein au XXe siècle.


La mécanique classique et la relativité restreinte sont des théories dynamiques qui traitent du mouvement des objets dans un espace plat à trois dimensions, tandis que la relativité générale traite du mouvement des objets dans un espace-temps courbe à quatre dimensions, et leurs propriétés sont très différentes.
La mécanique classique et la mécanique moderne sont parfois divisées sur la base de ces deux critères.


Dans le processus de perfectionnement des concepts de la théorie de la relativité et de la naissance de la mécanique, diverses idées ont été présentées et des définitions précises ont été créées, telles que la position, la vitesse, l'accélération, la quantité de mouvement, l'énergie, la mécanique lagrangienne, la mécanique hamiltonienne, la conservation des quantités physiques, le principe de moindre action et le principe d'équivalence.
Ce livre présente les définitions de plusieurs de ces concepts et explique comment chacun d'eux a été appliqué pour mener aux réalisations de la science moderne.

Grâce aux progrès de la science au cours du siècle dernier, à commencer par la mécanique classique, l'humanité a pu comprendre beaucoup de choses sur la véritable nature de l'univers.
Les trous noirs, qui étaient autrefois des objets de curiosité théorique, sont désormais observés concrètement, et leurs propriétés étonnantes sont révélées les unes après les autres.
À la lecture de cet ouvrage, les lecteurs seront amenés à reconsidérer les mystères et les différences entre l'espace et le temps, qu'ils tenaient pour acquis.
L'univers, autrefois considéré comme un réceptacle vide contenant des corps célestes, sera désormais perçu de manière saisissante comme un phénomène turbulent doté d'une vie propre, grâce à ce livre.

« Après avoir lu ce livre, vous comprendrez les équations d’Einstein. »
« Vous pouvez comprendre la signification et les relations de tous les symboles. »

« Les phrases donnent une idée de ce qu'est la relativité générale, mais les équations expliquent précisément et clairement ce qui se passe réellement. » – Extrait du texte

Les manuels de vulgarisation scientifique se vantent toujours d'être « faciles à lire » et exempts d'équations et de schémas.
Cependant, cette approche ne fournit qu'une connaissance superficielle de la science et ne permet pas d'en saisir les principes sous-jacents.
Sans accéder au contenu réel, nous n'avons droit qu'à des images et des métaphores qui expliquent grossièrement les principes mathématiques les plus importants en termes courants.


Sean Carroll, l'auteur de ce livre, affirme que les ouvrages de vulgarisation scientifique qui mettent l'accent sur la popularité « passent toujours à côté de l'essentiel ».
Il est assurément différent de ressentir l'attrait de la science et de comprendre clairement le processus par lequel cet attrait naît.
L'émerveillement face à la science est décuplé lorsque nous apprenons les principes qui la sous-tendent.
Ce livre contient donc un certain nombre de solutions d'équations.
Car on ne peut prétendre comprendre la théorie d'Einstein tant qu'on n'a pas compris la signification des symboles qui composent la simple équation e=mc².


L'enseignement de la physique consiste principalement à apprendre à résoudre des équations.
C'est un peu une illusion de penser qu'on peut apprendre la physique sans les mathématiques.
Comme l'indique l'auteur, ce livre s'adresse « aux personnes désireuses d'examiner des équations et d'en réfléchir au sens, même au niveau de l'algèbre de lycée », donc pour ceux qui apprécient les défis intellectuels, ce livre constituera un défi stimulant.

Pour ceux qui apprécient les défis intellectuels
Des cours de physique authentiques et sans compromis

Étudier, c'est comme découvrir un nouveau monde.
Ce livre donnera une excellente idée des types de débats physiques que l'on peut rencontrer à l'université, pour toute personne intéressée par la physique fondamentale, en particulier les étudiants de premier cycle en physique, ainsi que pour le grand public intéressé par la physique et la cosmologie, et pour les lycéens explorant des carrières scientifiques par le biais d'études scientifiques avancées.
Ceux qui s'estiment insuffisamment doués en mathématiques pourront suivre ce livre comme s'ils suivaient un cours universitaire, développant ainsi leur intuition mathématique et comprenant les dernières discussions en physique.
De plus, les experts qui possèdent déjà de solides connaissances en mathématiques et en sciences trouveront très inspirant le talent de l'auteur pour raconter son histoire.


L'objectif de cette série est de combler le fossé de connaissances entre les experts et le grand public, en s'appuyant sur les dernières avancées de la physique moderne.
Les lecteurs acquerront une compréhension claire des grandes réalisations de la physique, l'accent étant mis sur les connaissances établies plutôt que sur la spéculation.
Pour les lecteurs qui ont des difficultés à suivre le contenu en se basant uniquement sur le texte, des explications mathématiques plus détaillées sont fournies en annexe.
Vous trouverez également toutes les vidéos de cours relatives au contenu du texte sur la chaîne YouTube de l'auteur.
Les lecteurs peuvent suivre un cours d'introduction à la physique dispensé par un professeur de renommée mondiale grâce à une vidéo qui a acquis une popularité incroyable, atteignant 10 millions de vues cumulées en seulement trois ans, un exploit rare pour un contenu scientifique authentique.

Qu'est-ce que l'univers, de quoi est-il fait et comment fonctionne-t-il ?
La mécanique classique, à la découverte de la nature du monde

Le chapitre 1 de ce livre traite du concept de « conservation ».
Parmi les innombrables schémas de l'univers, les plus simples sont ceux qui « ne changent pas avec le temps », et la prévisibilité qui en découle a permis à l'humanité d'établir la discipline de la physique.
Pour les physiciens, la conservation signifie « quelque chose qui reste le même au fil du temps ».
Les grandeurs les plus fondamentales de la physique, telles que l'énergie, la quantité de mouvement, l'information et le moment angulaire, restent les mêmes au fil du temps.
Comprendre la conservation est la première étape de la transition de la science prémoderne à la science moderne.

Le chapitre 2 traite du « changement ».
Pour reconstituer l'historique complet d'un système, il faut extraire les résultats d'un état à l'autre.
À ce stade, l'état suivant est déterminé par l'état actuel et les lois de la physique.
Le « taux de variation instantané de certaines grandeurs physiques » et les « grandeurs physiques qui changent au fil du temps », telles que la progression des planètes, le mouvement des galaxies et la direction de la lumière, ont été résolus à l'aide du calcul différentiel et intégral.


Au chapitre 3, nous découvrons la « dynamique », un concept bien plus complexe que le changement.
Si le changement est un concept tout à fait général, la dynamique est un concept qui ne concerne spécifiquement que les changements qui obéissent aux équations de la physique.
Adopter une perspective dynamique nous permet en fin de compte de reconstruire la dynamique à partir d'une perspective globale qui prend en compte toute l'histoire du système.


Le chapitre 4 explore le concept d’« espace », l’espace dans lequel nous vivons ou qui nous entoure.
Depuis longtemps, deux conceptions opposées de l'espace s'affrontent : le substantialisme, qui considère l'espace comme une chose ou une propriété des choses, et le relationnisme, qui considère l'espace comme une chose ou une propriété des choses.
Les questions relatives à l'espace nous amènent à la mécanique hamiltonienne.
Ce mécanisme, qui diffère subtilement de la mécanique newtonienne, joue un rôle crucial pour comprendre pourquoi l'espace est un concept si important.

Le chapitre 5 explique le « temps », l'élément le plus important en physique et le sujet du débat le plus actif concernant sa réalité.
L'auteur décrit le temps comme « un élément de la façon dont nous nous positionnons dans l'univers ».
Si le temps n'existait pas, il ne pourrait y avoir ni mouvement, ni évolution, ni changement.
Le passé est immuable, l'avenir est ouvert.
Intuitivement, le temps semble s'écouler du passé vers le futur.
Nous pouvons ici examiner les débats autour du temps, notamment le présentisme, le perpétualisme et le possibilisme.

Comment rendre l'invisible visible ?
La mécanique moderne prouve l'impossible à prouver

Le chapitre 6 traite du concept d’« espace-temps », un nouveau concept qu’Einstein a développé à travers sa théorie de la relativité restreinte pour penser l’espace et le temps.
La croyance longtemps répandue selon laquelle le temps et l'espace existent indépendamment a été unifiée par Einstein.
Si l'on considère l'espace-temps comme un continuum unifié à quatre dimensions, on arrive à une conclusion totalement nouvelle concernant le concept d'espace-temps.

Le chapitre 7 traite de la naissance de la discipline de la « géométrie » à partir de ses applications modernes.
La géométrie est généralement considérée comme l'étude des propriétés des lignes droites et des courbes sur un plan bidimensionnel.
La géométrie euclidienne traditionnelle n'est valable que dans un espace bidimensionnel particulier, plat et non incurvé.
Mais le monde est un espace tridimensionnel et il est courbé.
La question de la courbure de l'univers doit être résolue par la géométrie riemannienne, au-delà de la géométrie euclidienne.

8 traite de la gravité.
La gravité est l'une des quatre forces fondamentales de l'univers, affectant tout de la même manière, contrairement aux trois autres forces qui affectent les objets différemment selon leur charge.
De ce fait, un changement de perspective est possible, où la gravité est considérée comme une propriété de l'espace-temps lui-même.
La nature et le fonctionnement de la gravité dans l'univers qui nous entoure peuvent être expliqués par les équations d'Einstein.

Le chapitre 9 aborde enfin l'un des plus grands mystères de l'univers : les trous noirs.
Les trous noirs sont depuis longtemps des objets de curiosité théorique.
Mais le prix Nobel de physique 2020 a été décerné à trois chercheurs spécialistes des trous noirs, les plaçant ainsi à l'avant-garde de l'astronomie moderne.
Les astronomes estiment qu'il existe des centaines de millions de trous noirs de masse stellaire rien que dans notre galaxie.
Étant donné qu'il existe des centaines de milliards de galaxies dans l'univers, les trous noirs pourraient constituer une fenêtre importante pour comprendre l'univers.

« Lire ce livre, c'est comme suivre un cours d'introduction à la physique donné par un professeur de renom. »
- Scientific American

« Sean Carroll est un brillant auteur scientifique au talent sans égal. »
Ce livre, qui porte la vulgarisation scientifique à un niveau inédit, contribuera à créer un monde où chacun prendra plaisir à discuter de science dans sa vie quotidienne.
- "Science"