On dit que l'épiphanie est venue à Albert Einstein en un instant. Le scientifique aurait conduit un tramway à Berne (Suisse), a regardé l'horloge de la rue et s'est soudainement rendu compte que si le tram accélérait maintenant à la vitesse de la lumière, alors dans sa perception, cette horloge s'arrêterait - et il n'y aurait plus de temps. Cela l'a conduit à formuler l'un des postulats centraux de la relativité - que différents observateurs perçoivent la réalité différemment, y compris des quantités aussi fondamentales que la distance et le temps.
Scientifiquement parlant, ce jour-là, Einstein s'est rendu compte que la description de tout événement ou phénomène physique dépend du cadre de référence dans lequel se trouve l'observateur (voir effet Coriolis). Si un passager d'un tramway, par exemple, laisse tomber des lunettes, alors pour elle, elles tomberont verticalement vers le bas, et pour un piéton debout dans la rue, les lunettes tomberont dans une parabole, car le tram se déplace pendant que les lunettes tombent. Chacun a son propre cadre de référence.
Mais si les descriptions des événements changent lors du passage d'un cadre de référence à un autre, il y a aussi des choses universelles qui restent inchangées. Si, au lieu de décrire la chute des verres, nous posons une question sur la loi de la nature qui les fait tomber, alors la réponse sera la même pour un observateur dans un système de coordonnées fixe, et pour un observateur dans un système de coordonnées en mouvement. La loi de la circulation distribuée est également valable dans la rue et dans le tramway. En d'autres termes, si la description des événements dépend de l'observateur, les lois de la nature ne dépendent pas de lui, c'est-à-dire que, comme on dit dans le langage scientifique, elles sont invariantes. C'est le principe de la relativité.
Comme toute hypothèse, le principe de relativité devait être testé en le corrélant avec des phénomènes naturels réels. Du principe de relativité, Einstein a dérivé deux théories distinctes (quoique liées). La théorie spéciale ou particulière de la relativité part de l'hypothèse que les lois de la nature sont les mêmes pour tous les référentiels se déplaçant à vitesse constante. La relativité générale étend ce principe à n'importe quel cadre de référence, y compris ceux qui se déplacent avec une accélération. La théorie de la relativité restreinte a été publiée en 1905, et la plus complexe du point de vue de l'appareil mathématique, la théorie de la relativité générale a été complétée par Einstein en 1916.
Théorie spéciale de la relativité
La plupart des idées intuitives paradoxales et contradictoires sur le monde des effets qui surviennent lorsque l'on se déplace à une vitesse proche de la vitesse de la lumière sont prédites par la théorie de la relativité spéciale. Le plus connu d'entre eux est l'effet de ralentissement de l'horloge ou l'effet de ralentissement du temps. Une horloge se déplaçant par rapport à l'observateur tourne plus lentement pour lui que la même horloge dans ses mains.
Le temps dans un système de coordonnées se déplaçant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière est étiré par rapport à l'observateur, tandis que l'étendue spatiale (longueur) des objets le long de l'axe de la direction du mouvement, au contraire, est comprimée. Cet effet, connu sous le nom de contraction de Lorentz-Fitzgerald, a été décrit en 1889 par le physicien irlandais George Fitzgerald (1851-1901) et complété en 1892 par le Néerlandais Hendrick Lorentz (1853-1928). L'abréviation de Lorentz-Fitzgerald explique pourquoi l'expérience de Michelson-Morley pour déterminer la vitesse du mouvement de la Terre dans l'espace extra-atmosphérique en mesurant le «vent d'éther» a donné un résultat négatif. Plus tard, Einstein a inclus ces équations dans la relativité restreinte et les a complétées avec une formule de transformation similaire pour la masse,selon lequel la masse du corps augmente également à mesure que la vitesse du corps se rapproche de la vitesse de la lumière. Ainsi, à une vitesse de 260 000 km / s (87% de la vitesse de la lumière), la masse d'un objet du point de vue d'un observateur dans le référentiel au repos va doubler.
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Depuis l'époque d'Einstein, toutes ces prédictions, aussi contraires au bon sens qu'elles puissent paraître, trouvent une confirmation expérimentale complète et directe. Dans l'une des expériences les plus révélatrices, des scientifiques de l'Université du Michigan ont mis une horloge atomique ultra-précise à bord d'un avion de ligne effectuant des vols transatlantiques réguliers, et après chaque vol de retour à l'aéroport d'origine, ils ont vérifié leurs lectures par rapport à l'horloge de contrôle. Il s'est avéré que l'horloge de l'avion était de plus en plus en retard par rapport à celle de contrôle (pour ainsi dire, en ce qui concerne les fractions de seconde). Depuis un demi-siècle, les scientifiques étudient les particules élémentaires dans d'énormes complexes matériels appelés accélérateurs. En eux, les faisceaux de particules subatomiques chargées (comme les protons et les électrons) sont accélérés à des vitesses proches de la vitesse de la lumière,puis ils sont tirés sur diverses cibles nucléaires. Dans de telles expériences sur des accélérateurs, il est nécessaire de prendre en compte l'augmentation de la masse des particules accélérées - sinon les résultats de l'expérience ne se prêteront tout simplement pas à une interprétation raisonnable. Et en ce sens, la théorie spéciale de la relativité est depuis longtemps passée de la catégorie des théories hypothétiques au domaine des outils de l'ingénierie appliquée, où elle est utilisée à égalité avec les lois de la mécanique de Newton.
Revenant aux lois de Newton, je voudrais souligner que la théorie spéciale de la relativité, bien qu'elle contredit extérieurement les lois de la mécanique newtonienne classique, en fait, reproduit pratiquement exactement toutes les équations habituelles des lois de Newton, si elle est appliquée pour décrire des corps se déplaçant à une vitesse significativement moins que la vitesse de la lumière. Autrement dit, la théorie de la relativité spéciale n'annule pas la physique newtonienne, mais l'élargit et la complète (cette idée est discutée plus en détail dans l'introduction).
Le principe de relativité permet également de comprendre pourquoi la vitesse de la lumière, et aucune autre, joue un rôle si important dans ce modèle de la structure du monde - cette question est posée par beaucoup de ceux qui ont rencontré pour la première fois la théorie de la relativité. La vitesse de la lumière se démarque et joue un rôle particulier en tant que constante universelle, car elle est déterminée par une loi des sciences naturelles (voir les équations de Maxwell). En vertu du principe de relativité, la vitesse de la lumière dans le vide, c, est la même dans n'importe quel référentiel. Cela contredit apparemment le bon sens, car il s'avère que la lumière provenant d'une source en mouvement (quelle que soit la vitesse à laquelle elle se déplace) et d'une source stationnaire atteint l'observateur simultanément. Cependant, il en est ainsi.
En raison de son rôle particulier dans les lois de la nature, la vitesse de la lumière est au cœur de la relativité générale.
Théorie générale de la relativité
La théorie générale de la relativité est déjà appliquée à tous les référentiels (et pas seulement à ceux qui se déplacent à vitesse constante les uns par rapport aux autres) et semble mathématiquement beaucoup plus compliquée que la théorie spéciale (ce qui explique l'écart de onze ans entre leur publication). Il inclut, comme cas particulier, la théorie spéciale de la relativité (et, par conséquent, les lois de Newton). De plus, la théorie générale de la relativité va beaucoup plus loin que tous ses prédécesseurs. En particulier, il fournit une nouvelle interprétation de la gravité.
La relativité générale rend le monde quadridimensionnel: le temps s'ajoute aux trois dimensions spatiales. Les quatre dimensions sont inséparables, nous ne parlons donc plus de la distance spatiale entre deux objets, comme c'est le cas dans le monde tridimensionnel, mais des intervalles spatio-temporels entre événements qui unissent leur distance l'un de l'autre - à la fois dans le temps et dans l'espace. … Autrement dit, l'espace et le temps sont considérés comme un continuum espace-temps à quatre dimensions ou, simplement, espace-temps. Dans ce continuum, les observateurs se déplaçant l'un par rapport à l'autre peuvent même être en désaccord sur le point de savoir si deux événements se sont produits simultanément - ou si l'un a précédé l'autre. Heureusement pour nos pauvres esprits, il ne s'agit pas d'une violation des relations de cause à effet - c'est-à-dire de l'existence de systèmes de coordonnées,dans lequel deux événements ne se produisent pas simultanément et dans une séquence différente, même la théorie générale de la relativité ne le permet pas.
La loi de la gravité de Newton nous dit qu'il existe une force d'attraction mutuelle entre deux corps quelconques de l'univers. De ce point de vue, la Terre tourne autour du Soleil, puisque les forces d'attraction mutuelle agissent entre elles. La relativité générale nous oblige cependant à regarder ce phénomène différemment. Selon cette théorie, la gravité est une conséquence de la déformation ("courbure") du tissu élastique de l'espace-temps sous l'influence de la masse (dans ce cas, plus un corps est lourd, par exemple le Soleil, plus l'espace-temps "plie" sous lui et, par conséquent, plus sa gravité est forte. champ). Imaginez une toile tendue (une sorte de trampoline) avec une énorme balle dessus. La bande se déforme sous le poids de la balle et une dépression en forme d'entonnoir se forme autour d'elle. Selon la relativité générale,La Terre tourne autour du Soleil comme une petite boule prête à rouler autour du cône d'un entonnoir formé à la suite du «forçage» de l'espace-temps par une boule lourde - le Soleil. Et ce qui nous paraît être la force de gravité, en fait, est, en fait, une manifestation purement externe de la courbure de l'espace-temps, et pas du tout une force dans la compréhension newtonienne. À ce jour, aucune meilleure explication de la nature de la gravité que ne nous donne la théorie générale de la relativité n'a été trouvée. À ce jour, aucune meilleure explication de la nature de la gravité que ne nous donne la théorie générale de la relativité n'a été trouvée. À ce jour, aucune meilleure explication de la nature de la gravité que ne nous donne la théorie générale de la relativité n'a été trouvée.
Il est difficile de tester la théorie générale de la relativité, car dans des conditions de laboratoire ordinaires, ses résultats coïncident presque complètement avec ce que la loi de Newton de la gravitation universelle prédit. Néanmoins, plusieurs expériences importantes ont été menées et leurs résultats permettent de considérer la théorie comme confirmée. De plus, la relativité générale aide à expliquer les phénomènes que nous observons dans l'espace - par exemple, de légères déviations de Mercure par rapport à une orbite stationnaire, qui sont inexplicables du point de vue de la mécanique newtonienne classique, ou la courbure du rayonnement électromagnétique d'étoiles éloignées lorsqu'il passe à proximité immédiate du Soleil.
En fait, les résultats prédits par la relativité générale diffèrent nettement des résultats prédits par les lois de Newton uniquement en présence de champs gravitationnels très puissants. Cela signifie que pour un test complet de la théorie générale de la relativité, il faut soit des mesures ultra-précises d'objets très massifs, soit des trous noirs, auxquels aucune de nos idées intuitives habituelles ne s'applique. Ainsi, le développement de nouvelles méthodes expérimentales pour tester la théorie de la relativité reste l'une des tâches les plus importantes de la physique expérimentale.