Comment comprendre la théorie de la relativité

Dans la célèbre théorie d’Albert Einstein, la vitesse de la lumière, la masse, le temps et l’espace sont liés.

Comme vous le savez, l’univers matériel entier a trois dimensions: haut-bas, droite-gauche, avant-arrière. La quatrième dimension est le temps. Ensemble, ils forment le continuum espace-temps. Mais tout le problème, c’est que nos idées sur l’espace et le temps dépendent directement de la vitesse à laquelle nous nous déplaçons.

C’est la relation entre le temps, l’espace et un objet en mouvement qui est décrite par la théorie spéciale de la relativité (STR) développée par Albert Einstein en 1905. Plus tard, le grand physicien a également créé la théorie générale de la relativité (GR), qui prend en compte, outre le temps et l’espace, d’autres facteurs, tels que la gravité. Nous n’en parlerons pas – cela nécessiterait un travail scientifique séparé. Commençons donc par étudier la théorie de la relativité!

Les grands principes de la théorie de la relativité

La première chose à comprendre pour maîtriser la théorie de la relativité: le mouvement est relatif.

Cela signifie que la présence ou l’absence de mouvement est toujours déterminée par rapport aux autres objets. Le mouvement et sa vitesse dépendent de l’observateur (celui qui regarde l’objet) et du système de référence (celui d’où il regarde).

Imaginez un passager dans un train et lisant un livre. Pour lui, le livre est immobile, de même que les sièges du train et les autres passagers (s’ils sont assis à leur place et ne se dirigent pas vers le wagon-restaurant, bien sûr). La vitesse de tous les objets immobiles dans le train, du point de vue de notre lecteur de passagers, sera nulle.

À ce moment-là, une autre personne se tient sur le quai, devant laquelle un train vole sifflant. Pour lui, un passager avec un livre et des chaises bougent à la vitesse d’un train, par exemple à 200 km / h. Mais les passagers qui se rendent sur la voiture-restaurant, située dans la tête du train, avanceront encore plus vite: leur vitesse s’ajoutera à celle du train.

Cela se produit avec toute addition de vitesses, mais il y a une exception: la vitesse de la lumière. La lumière des projecteurs sur le nez de notre train se déplacera toujours à la même vitesse – 300 000 km / s.

Nous nous approchons ici des principes de base sur lesquels repose la théorie de la relativité:

  • Principe de la relativité: pour les corps qui se déplacent les uns par rapport aux autres à vitesse constante ou immobiles (comme un passager et son livre), les processus physiques procèdent de la même manière.
  • Principe de la constance de la vitesse de la lumière: la vitesse de la lumière est constante pour tous les observateurs, quelle que soit leur vitesse par rapport à la source lumineuse. Autrement dit, la lumière de la lampe de poche sur la proue du train ou la lumière du projecteur du vaisseau spatial ont la même vitesse.

La lumière se déplace si vite que sa propagation nous semble instantanée. Mais aux distances cosmiques, tout est très différent. Par exemple, la distance entre le Soleil et la Terre, qui est de 150 millions de kilomètres, dure environ 8 minutes. Cela signifie que si le soleil se couche jamais, nous ne le verrons que dans 8 minutes.

Les conséquences de la théorie de la relativité

Qu’est-ce qui découle des principes décrits ci-dessus et comment sont-ils liés au temps et à l’espace? La théorie de la relativité a trois conséquences principales: l’expansion de l’espace, les contrats à durée déterminée et l’augmentation de la masse. Nous allons traiter avec chacun dans l’ordre.

Le temps diminue

Einstein a été le premier à comprendre que le temps n’est pas absolu et dépend du cadre de référence dans lequel nous l’observons. La Terre et la galaxie lointaine à l’autre bout de l’Univers se situent à différents points de l’espace mais aussi du temps.

En ce qui concerne les objets en mouvement, le temps est plus lent. Ce fait a été vérifié par Tour d’horloge atomique dans le monde: gains de temps relativistes prédits grâce à l’utilisation de deux horloges atomiques identiques: un appareil a été laissé sur Terre et l’autre a été envoyé dans un avion supersonique autour de la planète. Lors de l’atterrissage, il a été noté que l’horloge qui volait était à plusieurs millièmes de seconde derrière la montre au repos.

Plus la vitesse de l’objet se rapproche de la vitesse de la lumière, plus son temps est lent. En théorie, si un astronaute voyage dans un vaisseau spatial à une vitesse proche de celle de la lumière, il tombera dans le futur. Cela lui prendra plusieurs semaines et plusieurs décennies sur Terre. C’est la relativité du temps.

L’espace rétrécit

Autre conséquence surprenante de la relativité: quand on voit un objet en mouvement, on constate qu’il se raccourcit avec l’augmentation de sa vitesse. Du point de vue de l’observateur, lorsqu’il se rapproche de la vitesse de la lumière, l’objet devient de plus en plus court dans la direction du mouvement et, perpendiculaire à celui-ci, conserve sa taille d’origine.

Supposons que nous mettions un astronaute dans un vaisseau spatial capable de se déplacer à la vitesse de la lumière, tandis que nous nous rendions nous-mêmes dans un observatoire confortable pour observer son voyage. À l’approche de la vitesse de la lumière, quelque chose d’étrange commencera à se produire pour le navire. On remarquera que ça raccourcit. Mais les changements ne se produisent que par rapport au sens du mouvement, la largeur du navire reste constante. Ayant atteint la vitesse de la lumière, sa longueur deviendra presque indiscernable.

Peut-être que notre astronaute n’est pas très amusant en ce moment? Ne vous inquiétez pas pour lui: pour l’astronaute, aucun changement ne se produit. Il se précipite toujours avec joie vers l’espace et ne remarque rien. L’espace rétrécit uniquement par rapport à l’observateur.

Masse augmente

Une autre conséquence frappante de la relativité est que, à mesure que la vitesse d’un objet augmente, sa masse augmente également.

La masse et l’énergie sont inextricablement liées. C’est exactement ce qu’Einstein a exprimé dans la célèbre équation E = mc². Cette formule montre que l’énergie du corps est proportionnelle à sa masse. Lorsque l’énergie est transférée au corps (c’est-à-dire son accélération), la masse augmente également. Il s’avère qu’une partie de l’énergie sert à augmenter la vitesse et que l’autre augmente la masse.

Rappelez-vous notre astronaute, qui se rapproche de la vitesse de la lumière dans son vaisseau. En observant depuis la Terre, nous constatons qu’au fur et à mesure que la vitesse du navire augmente, il devient plus difficile de l’accélérer, c’est-à-dire qu’il faut de plus en plus d’énergie pour le pousser. Il arrive un moment où le navire atteint une masse telle qu’aucune énergie dans l’univers ne peut plus le déplacer. C’est pourquoi, dans la pratique, le voyage dans le temps n’est pas encore possible.

En bref

Ainsi, à l’approche de la vitesse de la lumière, le temps s’étend, l’espace se contracte. Mais tout cela ne se produit qu’aux yeux de l’observateur qui voit le mouvement de l’objet par rapport à lui-même. Pour un astronaute, rien ne change dans le navire (à l’exception de l’augmentation de la masse). Mais en même temps, les deux points de vue sont corrects. Par conséquent, la théorie de la relativité porte un tel nom.