La théorie de la relativité restreinte d’Einstein
En ce jour, la revue de physique allemande Annalen der Physik publie un article d’un jeune commis aux brevets appelé Albert Einstein. L’article, Zur Elektrodynamik bewegter Körper, (Sur l’électrodynamique des corps en mouvement) expose la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, qui explique la relation entre l’espace et le temps – et entre l’énergie et la masse – dans la célèbre équation E=mc². L’article a utilisé le concept de quanta d’énergie de Planck pour décrire comment la lumière se déplace dans l’espace.
Relativité restreinte : C’est comme la relativité normale, mais spéciale.
La théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein de 1905 est l’un des articles les plus importants jamais publiés dans le domaine de la physique. La relativité restreinte est une explication de la façon dont la vitesse affecte la masse, le temps et l’espace. La théorie comprend un moyen pour la vitesse de la lumière de définir la relation entre l’énergie et la matière – de petites quantités de masse (m) peuvent être interchangeable avec d’énormes quantités d’énergie (E), comme défini par l’équation classique E = mc².
La relativité restreinte s’applique aux cas « spéciaux » – elle est principalement utilisée pour discuter d’énergies énormes, de vitesses ultra-rapides et de distances astronomiques, le tout sans les complications de la gravité. Einstein a officiellement ajouté la gravité à ses théories en 1915, avec la publication de son article sur la relativité générale.
Lorsqu’un objet s’approche de la vitesse de la lumière, la masse de l’objet devient infinie, tout comme l’énergie nécessaire pour le déplacer. Cela signifie qu’il est impossible pour une matière d’aller plus vite que la lumière ne voyage. Cette limite de vitesse cosmique inspire de nouveaux domaines de la physique et de la science-fiction, alors que les gens envisagent de parcourir de vastes distances.
Comment était la physique avant la relativité ?
Avant Einstein, les astronomes (pour la plupart) comprenaient l’univers en termes de trois lois du mouvement présentées par Isaac Newton en 1686. Ces trois lois sont :
Les objets en mouvement ou au repos restent dans le même état à moins qu’une force extérieure n’impose un changement. Ceci est également connu sous le nom de concept d’inertie.
La force agissant sur un objet est égale à la masse de l’objet multipliée par son accélération. En d’autres termes, vous pouvez calculer la force nécessaire pour déplacer des objets de différentes masses à différentes vitesses.
Pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée.
Les lois de Newton se sont avérées valables dans presque toutes les applications de la physique, selon l’ Encyclopedia Britannica . Ils ont formé la base de notre compréhension de la mécanique et de la gravité.
Mais certaines choses ne pouvaient pas être expliquées par le travail de Newton : Par exemple, la lumière.
Pour intégrer le comportement étrange de la lumière dans le cadre de Newton pour les physiciens des années 1800, on supposait que la lumière devait être transmise à travers un milieu, qu’ils appelaient «l’éther luminifère». Cet hypothétique éther devait être suffisamment rigide pour transférer des ondes lumineuses comme une corde de guitare vibre avec le son, mais aussi complètement indétectable dans les mouvements des planètes et des étoiles.
C’était un défi de taille. Les chercheurs se sont mis à essayer de détecter cet éther mystérieux, espérant mieux le comprendre. En 1887, écrivait l’astrophysicien Ethan Siegal dans le blog scientifique Forbes, Starts With a Bang, le physicien Albert A. Michelson et le chimiste Edward Morley ont calculé comment le mouvement de la Terre à travers l’éther affectait la mesure de la vitesse de la lumière et ont découvert de manière inattendue que la vitesse de la lumière est la même quel que soit le mouvement de la Terre.
Si la vitesse de la lumière n’a pas changé malgré le mouvement de la Terre dans l’éther, ont-ils conclu, il ne doit pas y avoir d’éther pour commencer : la lumière dans l’espace s’est déplacée dans le vide.
Cela signifiait qu’il ne pouvait pas être expliqué par la mécanique classique. La physique avait besoin d’un nouveau paradigme.
Comment Einstein a-t-il inventé la relativité restreinte ?
Selon Einstein, dans son livre de 1949 » Notes autobiographiques (s’ouvre dans un nouvel onglet) » (Open Court, 1999, Centennial Edition), le physicien en herbe a commencé à s’interroger sur le comportement de la lumière alors qu’il n’avait que 16 ans. Dans une expérience de pensée à l’adolescence, écrit-il, il s’est imaginé en train de chasser un faisceau de lumière.
La physique classique impliquerait qu’à mesure que l’Einstein imaginaire accélérait pour attraper la lumière, l’onde lumineuse finirait par atteindre une vitesse relative de zéro – l’homme et la lumière se déplaceraient à une vitesse ensemble, et il pourrait voir la lumière comme un électromagnétique gelé. champ. Mais, écrit Einstein, ce travail contredit par un autre scientifique, James Clerk Maxwell, dont les équations exigeaient que les ondes électromagnétiques se déplacent toujours à la même vitesse dans le vide : 186 282 miles par seconde (300 000 kilomètres par seconde).
Le philosophe de la physique John D. Norton a contesté l’histoire d’Einstein dans son livre » Einstein for Everyone » (Nullarbor Press, 2007), en partie parce qu’à 16 ans, Einstein n’aurait pas encore rencontré les équations de Maxwell. Mais parce qu’elle est apparue dans les propres mémoires d’Einstein, l’anecdote est encore largement acceptée.
Si une personne pouvait, théoriquement, rattraper un faisceau de lumière et le voir gelé par rapport à son propre mouvement, la physique dans son ensemble devrait-elle changer en fonction de la vitesse d’une personne et de son point de vue ? Au lieu de cela, a raconté Einstein, il a cherché une théorie unifiée qui rendrait les règles de la physique les mêmes pour tout le monde, partout, tout le temps.
Ceci, a écrit le physicien, a conduit à ses réflexions éventuelles sur la théorie de la relativité restreinte, qu’il a décomposée en une autre expérience de pensée : une personne se tient à côté d’une voie ferrée comparant les observations d’un orage avec une personne à l’intérieur du train. Et parce que c’est de la physique, bien sûr, le train se déplace presque à la vitesse de la lumière.
Einstein a imaginé le train à un point sur la voie également entre deux arbres. Si un éclair frappait les deux arbres en même temps, la personne à côté de la piste verrait des coups simultanés. Mais parce qu’ils se déplacent vers un éclair et s’éloignent de l’autre, la personne dans le train verrait d’abord l’éclair devant le train, et l’éclair derrière le train plus tard.
Einstein a conclu que la simultanéité n’est pas absolue, ou en d’autres termes, que des événements simultanés tels que vus par un observateur pourraient se produire à des moments différents du point de vue d’un autre. Ce n’est pas la vitesse de la lumière qui change, réalisa-t-il, mais le temps lui-même qui est relatif. Le temps se déplace différemment pour les objets en mouvement que pour les objets au repos. Pendant ce temps, la vitesse de la lumière, telle qu’observée par n’importe qui n’importe où dans l’univers, en mouvement ou non, est toujours la même.
Que signifie E = mc² ?
L’une des équations les plus célèbres et les plus connues de toute l’histoire humaine, E = mc², se traduit par « l’énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré ». Autrement dit, écrit PBS Nova , énergie (E) et masse (m) sont interchangeables. Ce ne sont en fait que des formes différentes de la même chose.
Mais ils ne s’échangent pas facilement. Parce que la vitesse de la lumière est déjà un nombre énorme et que l’équation exige qu’elle soit multipliée par elle-même (ou au carré) pour devenir encore plus grande, une petite quantité de masse contient une énorme quantité d’énergie. Par exemple, PBS Nova a expliqué: « Si vous pouviez transformer chacun des atomes d’un trombone en énergie pure – ne laissant aucune masse – le trombone produirait [l’énergie équivalente de] 18 kilotonnes de TNT. C’est à peu près la taille de la bombe qui a détruit Hiroshima en 1945. »
Dilatation du temps
L’une des nombreuses implications des travaux d’Einstein sur la relativité restreinte est que le temps se déplace par rapport à l’observateur. Un objet en mouvement subit une dilatation du temps, ce qui signifie que lorsqu’un objet se déplace très rapidement, il subit le temps plus lentement que lorsqu’il est au repos.
Par exemple, lorsque l’astronaute Scott Kelly a passé près d’un an à bord de la Station spatiale internationale à partir de 2015, il se déplaçait beaucoup plus vite que son frère jumeau, l’astronaute Mark Kelly, qui a passé l’année à la surface de la planète. En raison de la dilatation du temps, Mark Kelly a vieilli juste un peu plus vite que Scott – « cinq millisecondes », selon le jumeau terrestre. Étant donné que Scott ne se déplaçait pas près de la vitesse de la lumière, la différence réelle de vieillissement due à la dilatation du temps était négligeable. En fait, compte tenu du stress et des radiations subis par le jumeau aéroporté à bord de l’ISS, certains diraient que Scott Kelly a augmenté son taux de vieillissement.
Mais à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, les effets de la dilatation du temps pourraient être beaucoup plus apparents. Imaginez qu’une adolescente de 15 ans quitte son lycée en voyageant à 99,5 % de la vitesse de la lumière pendant cinq ans (du point de vue de l’astronaute adolescente). Lorsque la jeune fille de 15 ans est revenue sur Terre, elle aurait vieilli ces 5 années qu’elle a passées à voyager. Ses camarades de classe, cependant, auraient 65 ans – 50 ans se seraient écoulés sur la planète beaucoup plus lente.
Nous n’avons pas actuellement la technologie pour voyager n’importe où près de cette vitesse. Mais avec la précision de la technologie moderne, la dilatation du temps affecte réellement l’ingénierie humaine.
Les appareils GPS fonctionnent en calculant une position basée sur la communication avec au moins trois satellites sur des orbites terrestres éloignées. Ces satellites doivent suivre un temps incroyablement précis afin de localiser un emplacement sur la planète, ils fonctionnent donc sur la base d’horloges atomiques. Mais comme ces horloges atomiques sont à bord de satellites qui tournent constamment dans l’espace à 14 000 km/h, la relativité restreinte signifie qu’elles font tic-tac de 7 microsecondes supplémentaires, ou 7 millionièmes de seconde, chaque jour, selon American Physical Publication de la société Physics Central. Afin de suivre le rythme des horloges terrestres, les horloges atomiques des satellites GPS doivent soustraire 7 microsecondes chaque jour.
Avec des effets supplémentaires de la relativité générale (suite d’Einstein à la relativité restreinte qui intègre la gravité), les horloges plus proches du centre d’une grande masse gravitationnelle comme la Terre tournent plus lentement que celles plus éloignées. Cet effet ajoute des microsecondes à chaque jour sur une horloge atomique GPS, donc à la fin les ingénieurs soustraient 7 microsecondes et en rajoutent 45 de plus. Les horloges GPS ne se remettent pas au lendemain tant qu’elles n’ont pas fonctionné au total 38 microsecondes de plus que des horloges comparables sur Terre.
Relativité restreinte et mécanique quantique
La relativité restreinte et la mécanique quantique sont deux des modèles les plus largement acceptés du fonctionnement de notre univers. Mais la relativité restreinte concerne principalement des distances, des vitesses et des objets extrêmement grands, les unissant dans un modèle « lisse » de l’univers. Les événements en relativité restreinte (et générale) sont continus et déterministes, a écrit Corey Powell pour The Guardian , ce qui signifie que chaque action entraîne une conséquence directe, spécifique et locale. C’est différent de la mécanique quantique, a poursuivi Powell : la physique quantique est « grossière », avec des événements se produisant par sauts ou « sauts quantiques » qui ont des résultats probabilistes, et non définitifs.
Des chercheurs unissant la relativité restreinte et la mécanique quantique – le lisse et le gros, le très grand et le très petit – ont mis au point des domaines comme la mécanique quantique relativiste et, plus récemment, la théorie quantique des champs pour mieux comprendre les particules subatomiques et leurs interactions.
Les chercheurs qui s’efforcent de relier la mécanique quantique et la relativité générale, en revanche, la considèrent comme l’un des grands problèmes non résolus de la physique. Pendant des décennies, beaucoup ont considéré la théorie des cordes comme le domaine de recherche le plus prometteur dans une théorie unifiée de toute la physique. Maintenant, une foule de théories supplémentaires existent. Par exemple, un groupe propose des boucles spatio-temporelles pour relier le monde quantique minuscule et volumineux au vaste univers relativiste.
Installé à Zurich depuis 1896, le physicien d’origine allemande Albert Einstein publie dans la revue scientifique « Les Annales de physique » un article qui va révolutionner la physique moderne : « Mémoire sur la relativité restreinte ». À 26 ans, Einstein démontre que la relativité restreinte a pour principe fondamental l’équivalence de la masse et de l’énergie. Cette découverte balaie les lois de la mécanique d’Isaac Newton.
https://timeline.web.cern.ch/albert-einstein-publishes-his-theory-special-relativity
https://www.space.com/36273-theory-special-relativity.html
Définition du «temps» et de l’ «espace» :
En bref, le « Temps » est la propriété du continuum de la matière , et l’« Espace » est la propriété de la propagation de la matière. Sans matière, les deux concepts n’existent pas. » P 43
Les hommes préfèrent croire qu’ils sont des anges dégénérés plutôt que des singes élevés….
L’ordre le plus fondamental et le plus dominant de l’univers est le principe de l’évolution. » P 77