Tenseur d'Einstein

Représentation de la déformation du champ gravitationnel par la présence d'une masse importante.

En géométrie différentielle, le tenseur d'Einstein Modèle:Incise est utilisé pour exprimer la courbure d'une variété pseudo-riemannienne.

En relativité générale, il apparaît dans l'équation du champ d'Einstein, pour décrire comment le champ gravitationnel est affecté par la présence de matière.

Histoire

L'éponyme du tenseur d'EinsteinModèle:SfnModèle:,Modèle:SfnModèle:,Modèle:SfnModèle:,Modèle:Note est le physicien Albert Einstein (Modèle:Date--Modèle:Date-)Modèle:Sfn qui l'a construitModèle:Sfn au cours de l'élaboration de la relativité générale. L'historien des sciences néerlandais Jeroen van Dongen présente le tenseur comme la réponse d'Einstein à la question de savoir : Modèle:Citation bloc

Le tenseur d'Einstein étant un tenseur de courbure, il est aussi connu comme le tenseur de courbure d'EinsteinModèle:SfnModèle:,Modèle:SfnModèle:,Modèle:Note ; et, Einstein l'ayant construit avec le tenseur (de courbure) de Ricci, il est aussi connu comme le tenseur (de courbure) de Ricci-EinsteinModèle:SfnModèle:,Modèle:Note.

Notations

À la suite d'EinsteinModèle:Sfn, le tenseur est usuellement noté $G$Modèle:Sfn. Mais, comme il n'existe pas de notation normalisée, les notations Modèle:Formule, Modèle:FormuleModèle:Sfn ou $S$Modèle:SfnModèle:,Modèle:Sfn peuvent se rencontrerModèle:Sfn.

Formule du tenseur d’Einstein en deux dimensions

Le tenseur d'Einstein est un tenseur d’ordre 2, ce qui schématiquement signifie que l’on peut le représenter sous forme d’une matrice, qui possède 4 lignes et 4 colonnes, autant que les coordonnées de l’espace-temps dans lequel nous vivons. Il se déduit du tenseur de Ricci par la formule

$G_{\mu \nu }=R_{\mu \nu }-\frac{1}{2}R{g}_{\mu \nu }$

$G_{\mu \nu }$ étant le tenseur d’Einstein, $R_{\mu \nu }$ le tenseur de Ricci, $g_{\mu \nu }$ la métrique riemannienne de l’espace-temps, et R la courbure scalaire, c’est-à-dire la trace du tenseur de Ricci. En deux dimensions, il s'écrit :

$G_{xx}=R_{xx}-\frac{1}{2}{g}_{xx}R$

ou

$G_{yy}=R_{yy}-\frac{1}{2}{g}_{yy}R$

Ces deux expressions sont égales et même nulles car on a :

$R_{xx}=g^{xx}{R}_{xxxx}+g^{yy}{R}_{xyxy}=g^{yy}{R}_{xyxy}=0+\frac{1}{g_{yy}}{R}_{xyxy}$

$R=g^{mn}{R}_{mn}=g^{xx}{R}_{xx}+g^{yy}{R}_{yy}=\frac{1}{g_{xx}}{R}_{xx}+\frac{1}{g_{yy}}{R}_{yy}=\frac{2}{g_{xx}{g}_{yy}}{R}_{xyxy}$

$G_{xx}=\frac{1}{g_{yy}}{R}_{xyxy}-\frac{1}{2}{g}_{xx}\frac{2}{g_{xx}{g}_{yy}}{R}_{xyxy}=0$

On aurait de même $G_{yy}=0$. Le tenseur d'Einstein d'une surface est identiquement nul, au contraire du tenseur de Riemann, ce qu'on vérifie sur la sphère.

Propriété fondamentale

Les principales propriétés du tenseur d'Einstein sont les suivantes :

• Il s'annule lorsque l'espace-temps est platModèle:Sfn ;
• Il est construit à partir du tenseur de Riemann et du tenseur métriqueModèle:Sfn ;
• Il se distingue des autres tenseurs ainsi construits par les propriétés suivantes :
  • Il est linéaire en RiemannModèle:Sfn ;
  • Il est symétriqueModèle:Sfn et de rang 2Modèle:Sfn ;
  • Il est de divergence nulleModèle:Sfn.

Le tenseur de Ricci se déduit d’un autre tenseur, le tenseur de Riemann. Celui-ci obéit à un certain nombre de propriétés dont l’une est appelée identité de Bianchi. Celle-ci, transposée à la définition du tenseur d’Einstein, implique qu’il est de divergence nulle :

$D_{\mu }{G}^{\mu \nu }=0$,

où D est la dérivée covariante, sorte de généralisation du concept usuel de dérivée au cas où l’espace temps est courbé par la présence de matière, et où les composantes dites covariantes $G^{\mu \nu }$ se déduisent de celles dites contravariantes de $G_{\mu \nu }$ par la formule $G^{\mu \nu }=g^{\mu \alpha }{g}^{\nu \beta }{G}_{\alpha \beta }$

Trace

La trace du tenseur d'Einstein $G_{\mu }^{\mu }$ est reliée à la courbure scalaire $R$ (elle-même trace du tenseur de Ricci) parModèle:Sfn :

$G_{\mu }^{\mu }=\frac{2-n}{2}R$,

où $n$ est le nombre de dimensions de la variété pseudo-riemannienneModèle:Sfn.

En relativité générale, $n=4$ et $G_{\mu }^{\mu }=-R$Modèle:Sfn.

Composantes

Le nombre des composantes indépendantes du tenseur d'Einstein est donné parModèle:Sfn :

$\frac{1}{2}n(n+1)$,

où $n>2$ est le nombre de dimensions de la variété pseudo-riemannienne.

Dimension

Les composantes du tenseur d'Einstein sont homogènes à l'inverse d'une surfaceModèle:Sfn. Ainsi, leur dimension est celle l'inverse du carré d'une longueurModèle:Sfn :

$\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{m}(G)={𝖫}^{-2}$.

Nullité

Le tenseur d'Einstein est identiquement nul en une dimensionModèle:Sfn comme en deux dimensionsModèle:Sfn.

Importance en relativité générale

Le tenseur d’Einstein est le seul tenseur d’ordre deux faisant intervenir la métrique et ses dérivées jusqu'à l’ordre deux qui soit de divergence nulle. C'est donc le candidat idéal pour faire partie des équations d'Einstein, qui relient la géométrie de l’espace-temps (en fait le tenseur d’Einstein) à la distribution de matière, décrite par le tenseur énergie-impulsion $T_{\mu \nu }$.

En l'absence de constante cosmologique, le tenseur d'Einstein est proportionnel au tenseur énergie-impulsionModèle:SfnModèle:,Modèle:Sfn :

$G_{\mu \nu }\propto T_{\mu \nu }$,

et l'équation d'Einstein s'écrit ainsiModèle:Note :

$G_{\mu \nu }=\kappa T_{\mu \nu }=\frac{8\pi G}{c^4}{T}_{\mu \nu }$,

la constante de proportionnalité κ, appelée constante d'Einstein, est ajustée de façon que les équations d’Einstein deviennent équivalente aux lois de la gravitation universelle reliant le potentiel gravitationnel Φ à la masse volumique µ au même point selon la loi dite de Poisson $\mathrm{\Delta }\mathrm{\Phi }=4\pi G\mu$, G étant la constante de Newton et $\mathrm{\Delta }$ le laplacien.

En d'autres termes, la partie gauche de la formule décrit la courbure (la géométrie) de l'espace-temps, la partie droite décrit le contenu de l'espace-temps.

Voir aussi

Bibliographie

• Modèle:Ouvrage
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• Modèle:Article.
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Articles connexes

• Relativité générale
• Métrique riemannienne
• Tenseur de Riemann
• Tenseur de Ricci
• Courbure scalaire
• Dérivée covariante
• Équations d'Einstein

Liens externes

• Modèle:EDAA