La théorie de la relativité spéciale, qui, au début du siècle dernier, a renversé les idées généralement acceptées sur le monde, continue encore d’exciter les esprits et les cœurs des gens. Aujourd'hui, nous allons essayer de comprendre ensemble ce que c'est.
En 1905, Albert Einstein a publié la Théorie spéciale de la relativité (SRT), qui expliquait comment interpréter le mouvement entre différents cadres de référence inertiels - en termes simples, des objets qui se déplacent à une vitesse constante les uns par rapport aux autres.
Einstein a expliqué que lorsque deux objets se déplacent à une vitesse constante, on devrait considérer leur mouvement l'un par rapport à l'autre, au lieu d'accepter l'un d'eux comme un cadre de référence absolu.
Donc, si deux astronautes, vous et, disons, Herman, volez sur deux vaisseaux spatiaux et que vous voulez comparer vos observations, la seule chose que vous devez savoir est votre vitesse par rapport à l'autre.
La relativité restreinte ne considère qu'un seul cas particulier (d'où le nom), lorsque le mouvement est rectiligne et uniforme. Si un corps matériel accélère ou se détourne, les lois SRT ne fonctionnent plus. Puis la théorie générale de la relativité (GTR) entre en vigueur, qui explique les mouvements des corps matériels dans le cas général.
La théorie d'Einstein est basée sur deux principes de base:
1. Le principe de relativité: les lois physiques sont préservées même pour les corps qui sont des référentiels inertiels, c'est-à-dire se déplaçant à vitesse constante les uns par rapport aux autres.
2. Le principe de la vitesse de la lumière: la vitesse de la lumière reste inchangée pour tous les observateurs, quelle que soit leur vitesse par rapport à la source lumineuse. (Les physiciens désignent la vitesse de la lumière par la lettre c).
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L'une des raisons du succès d'Albert Einstein est qu'il place les données expérimentales au-dessus des données théoriques. Lorsqu'une série d'expériences a révélé des résultats qui contredisaient la théorie généralement acceptée, de nombreux physiciens ont décidé que ces expériences étaient fausses.
Albert Einstein a été l'un des premiers à avoir décidé de construire une nouvelle théorie basée sur de nouvelles données expérimentales.
À la fin du IXe siècle, les physiciens étaient à la recherche d'un éther mystérieux - un milieu dans lequel, selon les hypothèses généralement admises, les ondes lumineuses devraient se propager, comme les ondes acoustiques, pour lesquelles l'air est nécessaire pour se propager, ou un autre milieu - solide, liquide ou gazeux. La croyance en l'existence de l'éther a conduit à croire que la vitesse de la lumière doit changer en fonction de la vitesse de l'observateur par rapport à l'éther.
Albert Einstein a abandonné le concept d'éther et a suggéré que toutes les lois physiques, y compris la vitesse de la lumière, restent inchangées quelle que soit la vitesse de l'observateur - comme l'ont montré des expériences.
Homogénéité de l'espace et du temps
La SRT d'Einstein postule une relation fondamentale entre l'espace et le temps. L'univers matériel, comme vous le savez, a trois dimensions spatiales: haut-bas, droite-gauche et avant-arrière. Une dimension supplémentaire y est ajoutée - temporaire. Ensemble, ces quatre dimensions forment le continuum espace-temps.
Si vous vous déplacez à grande vitesse, vos observations par rapport à l'espace et au temps seront différentes de celles d'autres personnes se déplaçant à une vitesse plus lente.
L'image ci-dessous montre une expérience de pensée pour vous aider à comprendre cette idée. Imaginez que vous êtes sur un vaisseau spatial, tenant un laser dans vos mains, à l'aide duquel vous envoyez des faisceaux de lumière au plafond sur lequel un miroir est fixé. La lumière, réfléchie, tombe sur le détecteur, qui les enregistre.
Ci-dessus - vous avez envoyé un faisceau de lumière dans le plafond, il a été réfléchi et est tombé verticalement sur le détecteur. Ci-dessous - pour Herman, votre faisceau lumineux se déplace en diagonale vers le plafond puis en diagonale vers le détecteur.
Ci-dessus - vous avez envoyé un faisceau de lumière dans le plafond, il a été réfléchi et est tombé verticalement sur le détecteur. Ci-dessous - pour Herman, votre faisceau lumineux se déplace en diagonale vers le plafond puis en diagonale vers le détecteur.
Disons que votre vaisseau se déplace à une vitesse constante égale à la moitié de la vitesse de la lumière (0,5c). Selon le SRT d'Einstein, cela n'a pas d'importance pour vous, vous ne remarquez même pas votre mouvement.
Cependant, Herman, qui vous regarde depuis un vaisseau au repos, verra une image complètement différente. De son point de vue, le faisceau de lumière se déplacera en diagonale vers le miroir au plafond, y réfléchira et tombera en diagonale sur le détecteur.
En d'autres termes, la trajectoire du faisceau lumineux sera différente pour vous et pour Herman et sa longueur sera différente. Par conséquent, le temps nécessaire au faisceau laser pour parcourir la distance jusqu'au miroir et au détecteur vous semblera différent.
Ce phénomène s'appelle la dilatation du temps: le temps sur un vaisseau se déplaçant à grande vitesse, du point de vue d'un observateur sur Terre, s'écoule beaucoup plus lentement.
Cet exemple, comme beaucoup d'autres, démontre clairement le lien inextricable entre l'espace et le temps. Cette connexion ne se manifeste clairement à l'observateur que lorsqu'il s'agit de vitesses élevées, proches de la vitesse de la lumière.
Des expériences depuis qu'Einstein a publié sa grande théorie ont confirmé que l'espace et le temps sont en fait perçus différemment en fonction de la vitesse de déplacement des objets.
Combiner masse et énergie
Dans son célèbre article publié en 1905, Einstein combinait masse et énergie dans une formule simple connue de tous les étudiants depuis: E = mc².
Selon la théorie du grand physicien, lorsque la vitesse d'un corps matériel augmente, se rapprochant de la vitesse de la lumière, sa masse augmente également. Ceux. plus l'objet se déplace rapidement, plus il devient lourd. Lorsque la vitesse de la lumière est atteinte, la masse du corps, ainsi que son énergie, deviennent infinies. Plus le corps est lourd, plus il est difficile d'augmenter sa vitesse; il faut une quantité infinie d'énergie pour accélérer un corps de masse infinie, il est donc impossible pour les objets matériels d'atteindre la vitesse de la lumière.
Avant Einstein, les concepts de masse et d'énergie en physique étaient considérés séparément. Le brillant scientifique a prouvé que la loi de conservation de la masse, comme la loi de conservation de l'énergie, font partie d'une loi plus générale de l'énergie de masse.
En raison du lien fondamental entre ces deux concepts, la matière peut être transformée en énergie et vice versa - l'énergie en matière.
