distorsions dans l’espace et le temps

plus de 200 ans après la publication des Principia, le monde était toujours sans compréhension du mécanisme de la gravité. Entrez Albert Einstein – un homme qui devait changer le monde de tant de façons. Mais avant d’arriver à son travail, nous devrons faire un détour de plus.,

vous ne pouvez pas dire si vous vous déplacez (à un rythme constant)

en 1632, avant même que Newton ne publie son œuvre désormais célèbre, Galileo Galilei a écrit sur le mouvement relatif d’objets familiers à son époque: les navires.

Si vous êtes dans une pièce fermée sur un navire naviguant à une vitesse constante et que le trajet est parfaitement fluide, les objets se comportent comme ils le feraient sur terre. Il n’y a aucune expérience physique que vous pourriez mener pour dire si vous êtes en mouvement ou stationnaire (en supposant que vous ne regardez pas par un hublot)., C’est l’idée de base derrière la relativité, et c’est la même raison pour laquelle nous ne ressentons pas le mouvement de notre planète autour du soleil, ou le mouvement de notre système solaire à travers la galaxie.

L’espace et le temps sont liés

près de 300 ans après Galilée, Einstein réfléchit aux conséquences de la relativité dans le contexte d’un facteur important: la vitesse de la lumière., Il n’était pas le seul à réfléchir à ces sujets—d’autres physiciens de l’époque étaient conscients qu’il y avait des questions sans réponse sur ce front. Mais C’est Einstein qui a formulé une théorie—sa théorie de la relativité spécialeglossairelativité spécialela théorie d’Einstein concernant la relation entre l’espace et le temps, la constance de la vitesse de la lumière et le fait que la physique doit être la même dans tous les états de mouvement uniformes—pour expliquer les phénomènes existants et créer de nouvelles prédictions., Au début, la relativité spéciale peut ne pas sembler avoir grand-chose à voir avec la gravité, mais C’était un tremplin essentiel pour Einstein pour comprendre la gravité.

les horloges mobiles tiquent plus lentement

des expériences menées à L’époque D’Einstein avaient montré que la vitesse de la lumière semblait constante. Peu importe la vitesse à laquelle vous essayez de rattraper votre retard, la lumière semble toujours s’éloigner de vous à près de 300 000 000 mètres par seconde.

Pourquoi est-ce important? Eh bien, imaginons construire une horloge à partir de la lumière elle-même., Deux miroirs sont placés l’un en face de l’autre, et une « coche” de l’horloge est le temps qu’il faut pour qu’une particule de lumière voyage d’un côté à l’autre et à l’arrière.

Maintenant, imaginons que votre ami, qui est sur un vaisseau spatial compression passé de la Terre, a une de ces horloges., Pour votre ami, l’horloge semble fonctionner normalement – les particules de lumière voyagent de haut en bas, comme prévu, et le temps se déroule de la manière habituelle. Mais de votre point de vue, en regardant le navire passer, la lumière se déplace à la fois de haut en bas et sur le côté, avec le navire. La lumière parcourt une plus longue distance avec chaque tique.,

donc, si, pour le voyageur spatial, la lumière se déplace à 300 000 000 m/s mais n’a qu’à monter et descendre; et pour l’observateur terrestre, la lumière se déplace à 300 000 000 m/s, mais doit parcourir une distance diagonale plus longue; alors pour l’observateur terrestre, l’horloge prend plus de temps à « tiquer”.,

cet effet est appelé dilatation du tempsglossarytime dilationle ralentissement du temps pour un observateur par rapport à un autre. Plus vous voyagez vite dans l’espace, plus vous voyagez lentement dans le temps.

la Perspective des questions

Mais dont le temps est ralenti? Est-ce la personne sur Terre, regardant son ami passer dans son vaisseau spatial? Ou l’astronaute, qui soutient qu’elle reste immobile pendant que la terre passe?

curieusement, les deux points de vue sont valides—mais seulement lorsque les deux sont en mouvement constant.

pour illustrer, supposons que lorsque l’astronaute a quitté la Terre, elle et son amie avaient le même âge. Quand elle part, le vaisseau spatial accélère loin de la Terre. Quand elle revient, le vaisseau spatial décélère pour éviter un atterrissage en catastrophe. En partant et en revenant, le vaisseau spatial change son cadre de référenceglossaryframe de référencel’environnement physique d’un observateur qui implique son état de mouvement., Une personne voyageant dans une voiture est dans un cadre de référence différent de celui d’une personne voyageant dans une voiture à une vitesse ou une direction différente, ou d’un piéton sur le bord de la route, ou d’une personne voyageant au-dessus dans un avion, etc. et notre astronaute peut sentir le changement de mouvement. Des expériences menées à l’intérieur du vaisseau spatial pendant l’accélération et la décélération montreraient que quelque chose change. Cela brise la symétrie de la situation, et lorsque le vaisseau spatial atterrira sur Terre, notre astronaute sera vraiment plus jeune que son homologue terrestre.,

Les effets ne sont perceptibles que s’ils voyageaient très, très vite—mais il est toujours vrai de dire que lorsque les astronautes et les pilotes de chasse d’aujourd’hui reviendront d’une mission à grande vitesse, ils auront vieilli un tout petit peu moins que le reste d’entre nous pendant cette mission.

Les quatre dimensions de l’espace-temps

Suite à cela, plutôt que de réfléchir à trois dimensions de l’espace et une dimension de temps, nous pouvons les considérer comme les quatre dimensions de « l’espace-temps”. Plus vous voyagez vite dans l’espace, plus vous voyagez lentement dans le temps, et vice versa.,

les objets en mouvement se contractent dans l’espace

Une autre conséquence de la relativité spéciale est que les objets en mouvement rapide semblent se contracter en taille, dans la direction de leur mouvement. (Et encore une fois, cela se retourne en fonction de la perspective de laquelle vous regardez.)

cela résulte de la distorsion du temps—après tout, vous pouvez mesurer la longueur de quelque chose par la quantité d’espace que quelque chose parcourt dans le temps (par exemple, années-lumière, secondes-lumière). Et bien qu’il soit difficile d’imaginer mesurer la longueur d’un objet en mouvement du point de vue de quelqu’un d’autre, la contraction de la longueur est un effet physique réel, et pas seulement le résultat de mesures imprécises.,

Contrairement aux différences d’âge qui peuvent résulter de la dilatation du temps, il n’y a pas d’effets résiduels dus à la contraction de la longueur une fois l’objet en mouvement et l’observateur réunis.

comprendre la gravité

La description de la gravité par Einstein conduit à des situations tout aussi bizarres que la relativité restreinte—voyage dans le temps inclus!

L’accélération et la gravité peuvent être indiscernables

imaginez vous réveiller dans un vaisseau spatial, accélérer dans l’espace., Tout comme vous êtes repoussé sur le siège d’une voiture qui accélère, le vaisseau spatial qui accélère vous pousse sur le côté opposé à celui vers lequel il accélère. À un certain rythme d’accélération, un ensemble d’échelles pourrait vous dire que vous pesez exactement la même chose que lorsque vous êtes à la maison sur Terre.

y a-t-il une expérience physique que vous pourriez faire dans les limites de votre vaisseau spatial pour dire si vous accélériez vraiment dans l’espace (en supposant qu’il n’y avait pas de fenêtres à regarder), ou si, au lieu de cela, vous étiez à l’intérieur Einstein a dit non – tout comme Galilée imaginait l’indiscernabilité entre une personne à l’intérieur d’un navire à voile lisse (confiné sans fenêtres) et une personne à terre, Einstein s’est rendu compte que les effets de l’accélération et de la gravité étaient également indiscernables., C’est ce qu’on appelle le principe d’équivalenceglossaire Principe d’équivalenceles effets d’être dans un champ gravitationnel sont indiscernables des effets d’être dans un cadre de référence accéléré.

l’espace se déforme sous un mouvement accéléré

Une fois Qu’Einstein a formulé le principe d’équivalence, la gravité est devenue moins mystérieuse., Il pourrait appliquer ses connaissances de l’accélération pour mieux comprendre la gravité.

Vous savez peut-être que l’accélération ne signifie pas toujours un changement de vitesse, comme lorsque vous accélérez dans une voiture, vous poussant à l’arrière de votre siège. Cela peut également signifier un changement de direction, comme lorsque vous faites le tour d’un rond-point, vous obligeant à vous pencher vers le côté de la voiture.

Pour aller plus loin, imaginons un tour de carnaval cylindrique où vous et vos compagnons de voyage êtes épinglés à la surface extérieure. Le cylindre tourne de plus en plus vite jusqu’à ce que l’accélération s’atténue et que le mouvement reste constant., Mais même une fois que la vitesse est constante, vous ressentez toujours le mouvement accéléré—vous vous sentez coincé au bord extérieur de la conduite.

Si ce tour de spinning était assez grand et se déplaçant à un rythme assez rapide, vous commenceriez à remarquer des effets bizarres à l’intérieur du tour lui-même, pas seulement du point de vue de quelqu’un debout à l’extérieur.,

à chaque rotation, ceux qui se trouvent au bord du manège parcourent toute la circonférence du cylindre—alors qu’au centre, il n’y a pratiquement aucun mouvement. Donc, si quelqu’un se tenait au centre même du trajet (peut—être tenu par une attelle, l’empêchant de tomber sur le bord), il remarquerait tous ces effets étranges que nous avons vus sous la relativité spéciale-que ceux sur le bord se contracteront en longueur, et leurs horloges tiqueront à un rythme plus lent.,

la Gravité est la courbure de l’espace-temps

Le principe d’équivalence nous dit que les effets de la gravité et l’accélération sont indiscernables. En pensant à l’exemple du tour cylindrique, nous voyons que le mouvement accéléré peut déformer l’espace et le temps. C’est ici Qu’Einstein a connecté les points pour suggérer que la gravité est la déformation de l’espace et du temps. La gravité est la courbure de l’univers, causée par des corps massifs, qui détermine le chemin parcouru par les objets. Cette courbure est dynamique, se déplaçant à mesure que ces objets se déplacent.,

cette théorie, relative généraleglossaire relative généralela théorie de la gravité d’Einstein, prédit tout, des orbites d’étoiles à la collision d’astéroïdes aux pommes tombant d’une branche à la terre—tout ce que nous attendons d’une théorie de la gravité.,

l’espace-temps saisit la masse, lui indiquant comment se déplacer… Mass saisit l’espace-temps, lui disant Comment courber le physicien John Wheeler