La Relativité Générale et Restreinte |
La Théorie Générale de la Relativité |
COMMENT ÇA MARCHE N°74 > Août > 2016 |
Le Temps Ralenti par le Mouvement |
Albert Einstein a montré que le temps s'écoule plus lentement à bord des véhicules en mouvement.
La clé de ce mystère réside dans le fait que la vitesse de la lumière est une constante universelle, la même pour tout le monde : 300.000 km/s. Imaginons deux savants, l'un à bord d'un train, l'autre immobile sur la voie. Ils mesurent le passage du temps à l'aide d'un «grain de lumière », un photon, rebondissant entre deux miroirs. À chaque fois que le photon percute un miroir, il produit un «tic» ou un «tac». Les miroirs étant espacés de 30 cm, chaque «tic-tac» vaut 1 milliardième de seconde, soit 1 nanoseconde.
Problème : du point de vue du savant qui est immobile au bord de la voie, il s'écoule, mettons, 1 «tic-tac-tic» (soit 2 nanosecondes) pendant qu'à bord d'un train qui fonce à tombeau ouvert, son collègue n'enregistre que 1 «tic-tac » (ce qui ferait une seule nanoseconde). Question : qui a raison ? Pour l'observateur immobile, c'est simple : la distance à parcourir par le photon de son collègue dans le train est plus grande que celle que parcourt le sien : il doit non seulement franchir les 30 cm qui séparent les miroirs verticalement, mais aussi effectuer le trajet du train horizontalement. Il n'a donc le temps d'effectuer qu'un «tic-tac» en 2 nanosecondes. «Cher collègue, dit-il, ton photon doit avoir l'air de rebondir entre tes miroirs plus lentement que le mien, car - tu ne t'en rends pas compte - mais il rame pour suivre ton mouvement».
«Pas du tout ! répond le second observateur. Mon photon a juste parcouru la distance entre les deux miroirs et - j'ai bien mesuré - il l'a fait exactement à 300.000 km/s ! Donc il ne va pas moins vite». (N'oubliez pas que la vitesse de la lumière est la même pour les deux observateurs.) Il n'y a qu'une seule façon de mettre tout le monde d'accord : admettre qu'il ne s'écoule qu'une nanoseconde à bord du train, pendant qu'il s'en écoule deux sur la voie.
SCIENCE & VIE JUNIOR N°270 > Mars > 2012 |
Le Temps Passe plus Vite en Altitude |
Montez deux marches d'escalier, et vous vieillirez plus vite : 100 milliardièmes de seconde de plus par siecle ! Une mesure obtenue grâce à une horloge d'une précision...atomique.
Le big bang, vous y croyez ? Et les trous noirs, ces astres si denses qu'ils aspirent même la lumière, vous les trouvez durs à avaler ? On est d'accord, ces idées ont de quoi vous passer l'imagination à l'essoreuse. Pourtant, des chercheurs américains viennent d'en vérifier les fondements sans bouger de leur labo.
Rassurez-vous, James Chi-Wen Chou et ses collègues de l'institut national de métrologie (la science des mesures) américain ne se sont pas amusés à créer un big bang en éprouvette ou à bricoler un trou noir dans un tube à essais. Leur méthode est plus indirecte, mais moins risquée. Il s'agit de vérifier la validité d'une théorie inventée il y a 95 ans par Albert Einstein, la relativité générale. C'est elle qui prédit l'existence de ces objets exotiques dans le lointain cosmos. Or elle devrait aussi avoir des conséquences dans notre environnement.
ACCÉLÉRATION = PESENTEUR
Entre autres choses, elle affirme que le temps s'écoule plus lentement dans un champ de pesenteur : plus la gravitation est forte, plus on vit au ralenti. Du coup, sur le plancher des vaches, le temps devrait s'écouler plus lentement qu'en altitude, ou la gravité est un peu moins forte.
Allons bon ! 0ù sont-ils allés pêcher une idée pareille ? Dans un principe fondamental de la physique que le génial moustachu avait baptisé "principe d'équivalence" et qui dit, en gros, que les accélérations sont équivalentes aux champs de pesanteur. Pas de panique ! Vous allez voir, ce n'est pas dur à comprendre. Imaginez une fusée filant dans l'espace et accélérant constamment. À bord, les astronautes et tous les objets qui les entourent sont tirés vers le fond de la cabine, tout comme vous êtes tiré en arrière dans une voiture qui démarre en trombe. Si l'accélération est de 1 G (c'est-à-dire que la vitesse augmente de 36 km/h chaque seconde), la force qui les tire est égale à celle qu'ils ressentiraient s'ils vaquaient à leurs occupations sur Terre, c'est-à-dire à leur poids ! Donc rien ne permet aux occupants de la fusée de savoir s'ils sont en vol accéléré ou simplement posés au sol (voir figure 1). En fait, aucune expérience menée dans l'habitacle avec une balance, un ressort ou tout autre système de poids ne permet de savoir si on est à bord d'un véhicule accéléré qui bouge, ou immobile dans un champ de pesanteur. Le principe d'équivalence, c'est ça.
En 1915, Albert Einstein eut l'idée géniale d'étendre ce principe d'équivalence. On sait, disait-il, que les expériences qu'on peut faire avec des ressorts ou des balances donnent le même résultat que l'on soit dans un véhicule accéléré ou immobile dans un champ de pesanteur. Et si c'était vrai pour toutes les autres expériences possibles ? Retournons à notre fusée. Débarrassez-vous de vos poids et balances et installez des hublots pour observer la façon dont la lumière traverse l'habitacle. Imaginons, par exemple, un rayon lumineux qui entre horizontalement par un hublot de la cabine. Dans une fusée qui accélère, la cabine se déplace pendant que la lumière la traverse. Du coup, pour les astronautes à bord, le rayon lumineux semble tomber vers le fond (figure 2a). On a la preuve que la fusée bouge... "Pas si vite, répond monsieur Einstein. Si la lumière "tombait" de la même façon lorsqu'elle passe dans le champ de pesanteur de la Terre, votre expérience ne prouverait rien ! Pour que le principe d'équivalence reste vrai dans le cas de la lumière, je parie que les rayons lumineux sont déviés au voisinage des objets massifs". Bingo ! Cette prédiction d'Einstein - la lumière déviée au voisinage des objets massifs (voir figure 2b) - a été vérifiée depuis. La déviation est ridiculement petite près de la Terre, mais près de très grosses masses, trous noirs ou galaxies, elle est si forte qu'elle produit carrément des mirages !
LES HORLOGES NE SONT PLUS SYNCHRONES
Et le temps dans tout ça ? Patience, on y arrive. Fermez les hublots et munissez-vous d'une horloge. Figurez-vous que dès 1905, Einstein avait prédit que pour les observateurs en mouvement, le temps s'écoule au ralenti. N'est-ce pas là un moyen pour nos astronautes de savoir si leur fusée bouge ou pas ? Ils pourraient, par exemple, comparer l'heure donnée par une horloge embarquée dans leur fusée (toujours accélérée à 1 G) avec celle donnée par une horloge identique restée sur le pas de tir. Vous devinez la suite. Le principe d'équivalence prédit que l'expérience ne donnera rien, parce que l'accélération de la fusée correspond au champ de pesanteur de la Terre (voir figure 3).
Les horloges seront donc ralenties de la même façon, qu'elles soient à bord ou au sol. On a pu le vérifier dès 1960, sans utiliser de fusée. Il a suffi de mesurer la marche du temps entre deux horloges situées dans le sous-sol et au cinquième étage d'un immeuble, donc soumises à une gravité légèrement différente. L'horloge située en hauteur avançait d'un chouïa de seconde sur celle placée dans la cave. La nouveauté, cette fois, c'est la précision. Les horloges atomiques dernier cri de Mister Chou étaient placées l'une au sol et l'autre à 33 cm d'altitude, où la pesanteur est plus faible d'un demi-dix-millionième ! Résultat : cette infime différence suffit pour que la plus haute prenne 100 milliardièmes de seconde d'avance par siècle sur sa jumelle. Une précision qui revient à mesurer la distance de la Tour Eiffel à l'Empire State Builging à l'épaisseur d'un virus près. La théorie d'Einstein est donc exacte au poil près et il faut vous faire à l'idée : aussi incroyable que ça paraisse, pendant que vous êtes tranquillement en train de lire, vos pieds vieillisent un tout petit peu moins vite que vos fesses, qui vivent elles-mêmes au ralenti par rapport au sommet de votre crâne ! Raison de plus pour ranger vos légumes en bas du frigo...
R.C. - SCIENCE & VIE JUNIOR N°256 > Janvier > 2011 |
La Relativité Restreinte d'Einstein Résiste |
Au grand dam de physiciens théoriciens, une prédiction d'Einstein et de sa relativité restreinte n'a toujours pas été démentie.
Une équipe internationale d'astrophysiciens utilisant le télescope Fermi vient de montrer dans Nature que la lumière file toujours à la même vitesse, quelle que soit l'énergie des grains de lumière, les photons. Des théories, mêlant gravitation et mécanique quantique, prévoient, au contraire, que cette propriété puisse être violée à très haute énergie, des énergies bien plus élevées que celles atteintes dans un accélérateur de particules.
Pour en avoir le cour net, les chercheurs se sont tournés vers des objets très violents, les sursauts gamma, dont l'origine est mal connue. En attendant de résoudre l'énigme, Ferni a permis, grâce à l'enregistrement d'un sursaut gamma en mai dernier, de montrer que la vitesse de la lumière est bien constante. Ce résultat impose de fortes contraintes sur les théories de gravitation quantique, de toute façon toujours en chantier.
D.I. - SCIENCES ET AVENIR > Janvier > 2010 |
On pourra étudier la Relativité Générale en Laboratoire |
Les matériaux optiques artificiels permettraient en effet de simuler et de tester les effets de la théorie d'Einstein. Cette expérience sur un métamatériau a permis de simuler les effets du trou noir.
C'est ce que viennent de démontrer Xiang Zhang, professeur à l'université de Berkeley, et son équipe. Einstein expliquait la gravitation comme une courbure de l'espace-temps qu'empruntent matière et énergie : la Terre tourne autour du Soleil car elle suit la courbure engendrée par notre étoile... Mais parfois une planète (ou la lumière) prend des trajectoires étranges, sous l'influence d'objets célestes massifs. Jusqu'ici, seuls le calcul et l'observation permettaient de valider ces manifestations. D'où l'intérêt de la proposition de Xiang Zhang : se servir des métamatériaux optiques, capables de ralentir ou de piéger la lumière, comme le fuit la gravité chez Einstein. Ses travaux ont montré que la trajectoire de la lumière dans ces nouveaux matériaux simule par exemple ces phénomènes. Plus besoin d'attendre un siècle d'observations pour obtenir un résultat, une expérience d'optique en laboratoire suffira, d'autant plus intéressante qu'elle se fait dans un environnement connu et contrôlé.
S.F. - SCIENCE & VIE > Septembre > 2009 |