la théorie de la relativité restreinte explique comment l’espace et le temps sont liés pour les objets qui se déplacent à une vitesse constante en ligne droite. L’un de ses aspects les plus célèbres concerne les objets se déplaçant à la vitesse de la lumière.
en termes simples, à mesure qu’un objet approche de la vitesse de la lumière, sa masse devient infinie et il est incapable d’aller plus vite que la lumière voyage., Cette limite de vitesse cosmique a fait l’objet de nombreuses discussions en physique, et même en science-fiction, car les gens réfléchissent à la façon de voyager sur de vastes distances.
La théorie de la relativité restreinte a été développée par Albert Einstein en 1905, et elle fait partie de la base de la physique moderne. Après avoir terminé ses travaux en relativité restreinte, Einstein a passé une décennie à réfléchir à ce qui se passerait si l’on introduisait l’accélération. Cela a constitué la base de sa relativité générale, publiée en 1915.,
histoire
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:
(1) Les objets en mouvement (ou au repos) restent en mouvement (ou au repos) à moins qu’une force externe n’impose un changement.
(2) La Force est égale au changement d’impulsion par changement de temps. Pour une masse constante, la force est égale à la masse multipliée par l’accélération.
(3) pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée.,
mais il y avait des fissures dans la théorie pendant des décennies avant L’arrivée D’Einstein sur la scène, selon Encyclopedia Britannica. En 1865, le physicien écossais James Clerk Maxwell a démontré que la lumière est une onde avec des composants électriques et magnétiques, et a établi la vitesse de la lumière (186 000 miles par seconde). Les scientifiques ont supposé que la lumière devait être transmise par un moyen, qu’ils ont appelé l’éther. (Nous savons maintenant qu’aucun support de transmission n’est requis et que la lumière dans l’espace se déplace dans le vide.,)
vingt ans plus tard, un résultat inattendu a remis cela en question. Le physicien A. A. Michelson et le chimiste Edward Morley (tous deux Américains à l’époque) ont calculé comment le mouvement de la Terre à travers cet « éther » affectait la mesure de la vitesse de la lumière et ont constaté que la vitesse de la lumière était la même quel que soit le mouvement de la Terre. Cela a conduit à d’autres réflexions sur le comportement de la lumière — et son incongruence avec la mécanique classique — par le physicien autrichien Ernst Mach et le mathématicien français Henri Poincare.
Einstein a commencé à penser au comportement de la lumière alors qu’il n’avait que 16 ans, en 1895., Il a fait une expérience de pensée, a déclaré l’encyclopédie, où il est monté sur une onde lumineuse et a regardé une autre onde lumineuse se déplaçant parallèlement à lui.
la physique classique devrait dire que L’onde lumineuse Qu’Einstein regardait aurait une vitesse relative de zéro, mais cela contredisait les équations de Maxwell qui montraient que la lumière avait toujours la même vitesse: 186 000 miles par seconde., Un autre problème avec les vitesses relatives est qu’ils montreraient que les lois de l’électromagnétisme changent en fonction de votre point de vue, ce qui contredisait également la physique classique (qui disait que les lois de la physique étaient les mêmes pour tout le monde.)
cela a conduit à des réflexions éventuelles D’Einstein sur la théorie de la relativité restreinte, qu’il a décomposé en l’exemple quotidien d’une personne debout à côté d’un train en mouvement, comparant les observations avec une personne à l’intérieur du train. Il a imaginé que le train se trouvait à un point de la voie également entre deux arbres., Si un éclair frappait les deux arbres en même temps, en raison du mouvement du train, la personne dans le train verrait le boulon frapper un arbre avant l’Autre Arbre. Mais la personne à côté de la piste verrait des frappes simultanées.
« Einstein a conclu que la simultanéité est relative; les événements qui sont simultanés pour un observateur peuvent ne pas l’être pour un autre », a déclaré l’encyclopédie. « Cela l’a conduit à l’idée contre-intuitive que le temps s’écoule différemment selon l’état du mouvement, et à la conclusion que la distance est également relative., »
célèbre équation
Les travaux D’Einstein ont conduit à des résultats surprenants, qui semblent aujourd’hui encore contre-intuitifs à première vue, même si sa physique est généralement introduite au niveau secondaire.
l’une des équations les plus célèbres en mathématiques provient de la relativité restreinte., L’équation-E = mc2-signifie » l’énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré. »Cela montre que l’énergie (E) et la masse (m) sont interchangeables; ce sont des formes différentes de la même chose. Si la masse est en quelque sorte totalement convertie en énergie, cela montre également combien d’énergie résiderait à l’intérieur de cette masse: beaucoup. (Cette équation est l’une des démonstrations pour expliquer pourquoi une bombe atomique est si puissante, une fois sa masse convertie en explosion.)
cette équation montre également que la masse augmente avec la vitesse, ce qui limite efficacement la vitesse à laquelle les choses peuvent se déplacer dans l’univers., En termes simples, la vitesse de la lumière (c) est la vitesse la plus rapide à laquelle un objet peut voyager dans le vide. Lorsqu’un objet se déplace, sa masse augmente également. Près de la vitesse de la lumière, la masse est si élevée qu’elle atteint l’infini, et nécessiterait une énergie infinie pour la déplacer, plafonnant ainsi la vitesse à laquelle un objet peut se déplacer. La seule raison pour laquelle la lumière se déplace à la vitesse qu’elle fait est parce que les photons, les particules quantiques qui composent la lumière, ont une masse de zéro.,
une situation particulière dans l’univers des petits, appelée « intrication quantique », est déroutante car elle semble impliquer des particules quantiques interagissant les unes avec les autres à des vitesses plus rapides que la vitesse de la lumière. Plus précisément, la mesure de la propriété d’une particule peut vous indiquer instantanément la propriété d’une autre particule, quelle que soit leur distance. Beaucoup a été écrit sur ce phénomène, qui n’est toujours pas entièrement expliqué en termes de conclusions D’Einstein.
Une autre conclusion étrange du travail D’Einstein vient de la prise de conscience que le temps se déplace par rapport à l’observateur., Un objet en mouvement subit une dilatation du temps, ce qui signifie que le temps se déplace plus lentement lorsque l’on se déplace que lorsque l’on est immobile. Par conséquent, une personne qui se déplace vieillit plus lentement qu’une personne au repos. Alors oui, lorsque L’astronaute Scott Kelly a passé près d’un an à bord de la Station spatiale internationale en 2015-16, son frère astronaute jumeau Mark Kelly a vieilli un peu plus vite que Scott.
Cela devient extrêmement apparente à des vitesses approchant la vitesse de la lumière. Imaginez un enfant de 15 ans voyageant à 99, 5% de la vitesse de la lumière pendant cinq ans (du point de vue de l’astronaute)., Lorsque le jeune homme de 15 ans reviendra sur Terre, selon la NASA, il n’aurait que 20 ans. Ses camarades de classe, cependant, auraient 65 ans.
bien que cette dilatation du temps semble très théorique, elle a également des applications pratiques. Si vous avez un récepteur GPS (Global Positioning Satellite) dans votre voiture, le récepteur tente de trouver des signaux d’au moins trois satellites pour coordonner votre position. Les satellites GPS envoient des signaux radio chronométrés que le récepteur écoute, triangulant (ou plus exactement trilatérant) sa position en fonction du temps de trajet des signaux., Le défi est que les horloges atomiques du GPS se déplacent et fonctionneraient donc plus vite que les horloges atomiques sur terre, créant des problèmes de synchronisation. Ainsi, les ingénieurs doivent ralentir les horloges D’un GPS, selon Richard Pogge, astronome à L’Ohio State University.
Les horloges dans L’espace cochent plus vite, selon Physics Central, car les satellites GPS sont au-dessus de la Terre et subissent une gravité plus faible., Ainsi, même si les satellites GPS se déplacent et subissent un ralentissement de sept microsecondes chaque jour à cause de leur mouvement, le résultat de la gravité plus faible fait que les horloges tournent environ 45 microsecondes plus rapidement qu’une horloge au sol. En ajoutant les deux ensemble, l’horloge satellite GPS tourne plus vite qu’une horloge au sol, d’environ 38 microsecondes par jour.
relativité spéciale et mécanique quantique
Au fur et à mesure que nos connaissances en physique progressent, les scientifiques se retrouvent dans des situations plus contre-intuitives., On essaie de concilier la relativité générale-qui décrit bien ce qui se passe avec les grands objets — avec la mécanique quantique, qui est mieux utilisée pour de très petites choses (comme la désintégration des atomes d’uranium). Les deux champs, qui décrivent parfaitement leurs champs individuels, sont incompatibles l’un avec l’autre — ce qui a frustré Einstein et des générations de scientifiques après lui.
« la relativité donne des réponses absurdes lorsque vous essayez de la réduire à la taille quantique, pour finalement descendre à des valeurs infinies dans sa description de la gravité., De même, la mécanique quantique rencontre de sérieux problèmes lorsque vous la faites exploser aux dimensions cosmiques », a souligné un article du Guardian en 2015.
« les champs quantiques transportent une certaine quantité d’énergie, même dans un espace apparemment vide, et la quantité d’énergie augmente à mesure que les champs grossissent. Selon Einstein, l’énergie et la masse sont équivalentes (c’est le message de E=mc2), donc empiler l’énergie est exactement comme empiler la masse. Allez assez grand, et la quantité d’énergie dans les champs quantiques devient si grande qu’elle crée un trou noir qui provoque le repli de l’univers sur lui-même. Oops., »
Il existe plusieurs idées pour surmonter cela (qui dépassent le cadre de cet article), mais une approche consiste à imaginer une théorie quantique de la gravité qui aurait une particule sans masse (appelée graviton) pour générer la force. Mais comme le physicien Dave Goldberg l’a souligné dans io9 en 2013, cela pose des problèmes. Aux plus petites échelles, les gravitons auraient une densité d’énergie infinie, créant un champ de gravité incroyablement puissant. D’autres études seront nécessaires pour voir si c’est possible.