Albert Einstein est l'un des physiciens les plus connus du XXe siècle. Cependant, en plus des théories étonnantes qui décrivent le monde à grande échelle avec une précision incroyable, il a révélé un phénomène curieux: plus la gravité est forte, plus le temps passe lentement.
Einstein a appelé sa première théorie connue du monde entier la théorie de la relativité spéciale. C'était spécial car il s'agissait de vitesses constantes. Pour le réconcilier avec le monde réel, dans lequel les objets accélèrent et décélèrent constamment, il avait besoin d'étudier les implications de sa théorie en matière d'accélération. Cette tentative de généralisation et de prise en compte de tous les phénomènes généraux a conduit à la découverte du rapport entre le temps et la gravité. Einstein a appelé sa nouvelle théorie la relativité générale.
Newton croyait que l'écoulement du temps était comme une flèche. Il se déplace régulièrement dans une seule direction - vers l'avant. Einstein a suggéré que le temps change en proportion inverse de la vitesse. Et de par sa fluidité, comme l'espace, il "méritait" sa propre mesure. De plus, Einstein a fait valoir que l'espace et le temps sont un tout unique - un tissu quadridimensionnel flexible sur lequel tous les événements de l'Univers ont lieu. C'est comme ça qu'il l'appelait - le tissu de l'espace-temps. Lorsque le physicien a publié son travail avec toutes ses conclusions, elle a été accueillie avec incrédulité.
Selon la relativité générale, la matière étire et contracte le tissu de l'espace-temps. Il s'avère que les objets ne sont pas attirés vers le centre de la Terre d'une manière mystérieuse, mais plutôt, au contraire, sont poussés par l'espace courbe qui les entoure. Comme une pente, la courbure de l'espace-temps accélère les objets se déplaçant vers le bas, bien que le taux de cette accélération ne soit pas toujours le même. La force de gravité augmente à mesure que vous vous approchez de la surface de la Terre, où la courbure est plus intense.
L'histoire de l'univers sur la flèche du temps.
Si la force de gravité augmente en descendant, l'objet tombera librement au point B sur la surface plus rapidement qu'au point A à une altitude plus élevée. Selon la théorie spéciale de la relativité, le temps pour un objet tombant librement au point B devrait aller plus lentement par rapport à l'objet au point A en raison du fait que la vitesse de l'objet au point B est plus élevée.
Qu'est-ce que le temps
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Quelle heure est correcte? Einstein a postulé qu'il n'y a pas de temps absolu. Le temps est relatif selon le système de forces auquel il est soumis. C'est ce qu'on appelle formellement un cadre de référence. Le temps qui passe dans votre système est appelé votre propre temps. Si les lois du mouvement doivent être les mêmes pour tous les observateurs, quel que soit leur mouvement, alors le temps doit ralentir. Autrement dit, plus vous vous déplacez rapidement, plus votre horloge tourne lentement par rapport aux autres horloges. C'est ce que l'héroïne Anne Hathaway a confié au personnage Matthew McConaughey dans "Interstellar" après la descente vers une planète lointaine: "Une heure sur cette planète équivaut à sept années terrestres".
Alors, l'observation du temps ralenti est-elle une limitation de notre composition neurologique primitive, ou le temps ralentit-il vraiment? Et que signifie réellement la dilatation du temps? En fin de compte, cela nous amène à la question: qu'est-ce que le temps? Ce n'est pas seulement une question que les étudiants en philosophie se posent autour d'un verre de bière. Le concept du temps a intrigué les philosophes et physiciens naturels depuis des temps immémoriaux.
La fonction principale du temps est de suivre la chronologie des événements. Cependant, jusqu'aux 400 dernières années, les gens ont déterminé le temps en partant de l'hypothèse que les étoiles se déplacent autour de la Terre, et non l'inverse. Quoi qu'il en soit, tout fonctionnait raisonnablement bien dans une certaine mesure - en raison du fait que les jours et les saisons se répètent de manière prévisible, et lorsque vous avez quelque chose qui se répète de manière prévisible, il existe un mécanisme pour suivre le temps.
Galileo a utilisé la nature récursive d'un tel mécanisme pour calculer le mouvement. La description du mouvement serait impossible sans une certaine désignation du temps. Mais ce temps n'a jamais été absolu. Même lorsque Newton a formulé ses lois du mouvement, il a utilisé le concept de temps, dans lequel deux paires d'horloges tournent en synchronisme non pas avec le temps absolu et indépendant, mais entre elles. La synchronisation est la raison pour laquelle l'humanité a construit une horloge atomique aussi sophistiquée et précise.
Le concept du temps est construit sur la simultanéité ou la coïncidence décisive de deux événements - comme l'arrivée d'un train et la coïncidence unique des aiguilles de l'horloge à ce moment. La théorie d'Einstein déclare que cela doit être influencé par le mouvement. Si les deux observateurs sur le quai et le train ne parviennent pas à s'entendre sur ce qui se passe en même temps, ils ne peuvent s'entendre sur la façon dont le temps s'écoule.
Le mouvement déforme le temps
Pour comprendre l'effet du mouvement sur la prévisibilité, envisagez un mécanisme de synchronisation simple. Imaginez un appareil de suivi du temps constitué d'un photon qui rebondit entre deux miroirs espacés d'une distance finie. Laisser passer une seconde pendant la période de réflexion du photon. Nous allons maintenant placer deux de ces dispositifs aux points A et B au-dessus de la surface de la Terre et directement dessus (comme dans l'exemple décrit ci-dessus) et voir comment ils comptent le temps où un objet tombant librement les dépasse. À son tour, cet objet mesure son propre temps en utilisant la même horloge. Que vont-ils montrer?
Regarder le reflet d'un photon entre deux miroirs en mouvement, c'est comme regarder une balle de tennis rebondir sur un train en mouvement. Même si la balle rebondit perpendiculairement à quelqu'un dans le train, elle décrit des triangles à un observateur stationnaire à l'extérieur.
Une expérience avec une horloge qui tombe.
Lorsque l'appareil avance, il semble que le photon, comme une boule, parcourt une plus grande distance après avoir été réfléchi. Il s'avère qu'un résultat de notre expérience est déformé! De plus, plus l'appareil se déplace rapidement, plus le photon met de temps à se réfléchir, prolongeant ainsi la durée d'une seconde. C'est pourquoi le passage du temps au point B s'avère plus lent qu'au point A (rappelez-vous: en raison de la gravité, l'objet tombe au point B plus rapidement qu'au point A).
Bien entendu, cette différence est négligeable. La différence entre le temps mesuré par les horloges au sommet des montagnes et à la surface de la Terre n'est que de quelques nanosecondes. Néanmoins, la découverte d'Einstein était une véritable percée. La gravité interfère vraiment avec le passage du temps, ce qui signifie que plus un objet est massif, plus le temps s'écoule lentement à proximité. Certains physiciens font même une réserve que tous les objets de l'Univers semblent le ressentir et essaient de tomber là où le temps passe plus lentement, des endroits où le temps passe plus vite.
Champ gravitationnel de la Terre et satellite GPS.
Jambes plus jeunes que la tête
Aujourd'hui, la dilatation gravitationnelle du temps n'est pas seulement un phénomène bien connu du domaine de la physique théorique, mais aussi un outil pratique. Grâce à la découverte d'Einstein et de ses équations, nous avons une chose aussi merveilleuse que la navigation GPS, qui ne pourrait pas fonctionner avec autant de précision si la différence entre le cours du temps à la surface de la Terre et le cours du temps en orbite proche de la Terre n'était pas pris en compte. La dilatation gravitationnelle du temps aide également les physiciens théoriciens et les astrophysiciens à construire des théories précises sur ce qui se passe dans l'espace lointain près d'objets dont nous ne pouvons pas nous approcher physiquement (par exemple, les trous noirs et les étoiles à neutrons). Et oui, étant donné ce phénomène, il s'avère que vos jambes - bien qu'infiniment insignifiantes - sont plus jeunes que votre tête.
Vladimir Guillen