La physique

Une introduction simplifiée à la théorie de la relativité d'Einstein

Une introduction simplifiée à la théorie de la relativité d'Einstein

N'ayez pas peur, aussi complexe que semble l'être la théorie de la relativité; c'est étonnamment simple. Dans ce court article, nous tenterons d'expliquer ce qu'Einstein propose pour vous donner un aperçu. Alors, sans plus tarder, voici notre explication simplifiée de la théorie de la relativité.

Techniquement parlant

Lorsque nous nous référons à la «théorie de la relativité», nous entendons en fait la relativité générale. La relativité restreinte est un «cas particulier» de relativité générale. La combinaison de ces deux principes permet d'expliquer de nombreux sujets variant du mouvement des planètes, l'effet de la gravité sur la lumière à l'existence de trous noirs.

La relativité restreinte déclare que les lois de la physique, et donc l'univers, sont les mêmes pour tous les observateurs également «rapides». Dans le vide de l'espace, la vitesse de la lumière est une constante indépendante de tout observateur.

Mais qu'en est-il de l'accélération et de la gravité? Einstein a passé une décennie à réfléchir à cela. En 1915, il a produit triomphalement sa théorie générale de la relativité. Il a déterminé que des objets massifs dans l'espace provoqueraient une déformation ou une distorsion de l'espace-temps que nous «ressentons» tous comme de la gravité.

Sortir des sentiers battus

Einstein, avec sa façon de penser inhabituelle, a supposé que les observations expérimentales étaient correctes. C'était tout le contraire de la pensée de ses contemporains. À la fin du 19e siècle, les physiciens cherchaient tous quelque chose appelé «l'éther». On croyait que l'éther était le milieu par lequel la lumière traversait. C'était devenu, par essence, la quête du Saint Graal. Einstein se rendit compte que l'obsession de ses pairs pour la tâche empêchait le progrès. Sa solution consistait simplement à le supprimer de l'équation. Il supposait que les lois de la physique fonctionneraient indépendamment de la façon dont les choses bougeaient. Une stratégie qui n'entre pas en conflit avec ce que les données expérimentales et mathématiques ont révélé.

En 1905, Albert Einstein a développé sa théorie spéciale de la relativité. Ses travaux révolutionnaires ont invalidé des siècles de pensée scientifique acceptée et ont changé la façon dont nous percevons le monde qui nous entoure.

Comme son nom l'indique, cette théorie n'est applicable que pour des cas particuliers, c'est-à-dire lorsque les deux objets se déplacent à une vitesse constante ou uniforme.

Einstein a expliqué que le mouvement relatif de deux objets devrait être le cadre de référence plutôt qu'un système de référence externe, ésotérique "éthérique". À titre d'exemple, disons que vous étiez un astronaute dans un vaisseau spatial, observant un autre vaisseau spatial à distance. La seule chose qui compte, c'est la vitesse à laquelle vous et votre cible observée vous déplacez l'un par rapport à l'autre. Un hic, cependant, la relativité restreinte ne s'applique que si vous voyagez en ligne droite et n'accélérez pas. Si une accélération a lieu, la Relativité Générale doit être appliquée.

La théorie repose sur deux principes fondamentaux:

Relativité - Les lois de la physique ne changent pas. Même pour les objets se déplaçant à des cadres de référence inertiels et à vitesse constante.

La vitesse de la lumière - Il en va de même pour tous les observateurs quel que soit leur mouvement relatif à la source de lumière.

Le travail d'Einstein crée un lien fondamental entre le temps et l'espace. Nous envisageons intuitivement l'univers comme tridimensionnel (haut et bas, gauche et droite, avant et arrière) mais aussi avec une composante ou dimension temporelle. La combinaison de ces éléments crée l'environnement 4-D que nous vivons.

Si vous deviez vous déplacer assez vite dans l'espace, toutes les observations que vous faites sur l'espace et le temps seraient différentes de celles de toute autre personne se déplaçant à une vitesse différente de la vôtre. À mesure que la différence entre les vitesses augmentait, les différences observées augmenteraient également.

Tout est relatif

Maintenant, imaginez que vous êtes dans un vaisseau spatial avec un laser à la main. Le faisceau laser atteint directement le plafond, heurte un miroir et est renvoyé vers le sol dans un détecteur. Rappelez-vous maintenant que le navire est en mouvement, disons à environ la moitié de la vitesse de la lumière. La relativité déclare que ce mouvement ne fait aucune différence pour vous, vous ne pouvez pas le «ressentir» (tout comme sur Terre car il tourne sur son axe et se précipite dans l'espace autour du soleil).

Mais voici la torsion:

Un observateur extérieur, cependant, serait témoin de quelque chose de très différent. S'ils pouvaient "voir" dans votre vaisseau, ils remarqueraient que le faisceau laser se déplace "vers le haut" selon un angle, heurte le miroir puis se déplace à nouveau vers le bas sous un autre angle pour frapper le détecteur. L'observateur remarquerait que le trajet lumineux serait plus long et à un angle plus prononcé que celui que vous observeriez dans votre vaisseau. Plus important encore, le temps nécessaire au laser pour atteindre le détecteur serait différent. Étant donné que la vitesse de la lumière est constante, comment pouvez-vous tous les deux parvenir à la même conclusion qui prouve cette théorie? De toute évidence, le passage du temps doit être différent pour vous et pour l'observateur extérieur.

Que se passe-t-il? Ce phénomène est connu sous le nom de dilatation du temps. Dans l'exemple ci-dessus, le temps doit "se déplacer" plus vite pour vous que celui de l'observateur plus lent. Cet exemple simple nous permet de visualiser la théorie de la relativité d'Einstein, selon laquelle l'espace et le temps sont intimement liés.

Comme vous pouvez l'imaginer, une telle variation extrême dans le passage du temps ne serait notablement remarquée qu'à des vitesses très élevées, en particulier près de la vitesse de la lumière. Les expérimentations menées depuis les révélations d'Einstein ont validé sa théorie. Le temps et l'espace sont perçus différemment pour les objets se déplaçant près de la vitesse de la lumière.

Masse, énergie et vitesse de la lumière

Einstein ne s'est certainement pas reposé sur ses lauriers. Toujours en 1905, il applique ses principes de relativité pour produire la fameuse équation e = mc2. Cette équation d'une simplicité innocente exprime la relation fondamentale entre la masse (m) et l'énergie (e). Génial.

Cette petite équation a révélé qu'à mesure que nous approchons de la vitesse de la lumière, c, les objets massent des ballons. Vous voyagez donc très vite mais votre masse augmente en fonction de votre vitesse. Dommage. À son extrême, si vous voyagiez à la vitesse de la lumière, votre énergie et votre masse seraient infinies. Comme vous le savez déjà, plus l'objet est lourd, plus il est dur; il faut donc plus d'énergie pour l'accélérer. Donc, de ce fait, il est impossible de dépasser la vitesse de la lumière.

L'héritage d'Einstein

Jusqu'à Einstein, la masse et l'énergie étaient considérées comme des choses complètement séparées. Ses travaux ont prouvé que les principes de conservation de la masse et de l'énergie font partie d'une conservation plus large et plus unifiée de l'énergie de masse. La matière peut donc être transformée en énergie et vice versa en raison de la connexion fondamentale entre elles. C'est, franchement, incroyable.

Pour résumer, premièrement, il n'y a pas de cadre de référence «absolu», d'où l'utilisation du terme «relativité». Deuxièmement, la vitesse de la lumière est constante pour quiconque la mesure, qu'elle soit en mouvement ou non - je sais fou non? Enfin, la vitesse de la lumière ne peut être dépassée, c'est la "vitesse limite" universelle.

Je l'ai? Génial. Non? Ne vous inquiétez pas si vous ne l'avez pas fait, c'est, de par sa nature même, contre-intuitif. Les plus grandes découvertes scientifiques se trouvent souvent dans des domaines en dehors de notre «bon sens».

Via dummies.com

Voir la vidéo: La relativité restreinte expliquée en animation (Novembre 2020).