La relativité, comprenant les théories de la relativité restreinte et générale d’Albert Einstein, a révolutionné notre compréhension de l’espace, du temps, de la masse, de l’énergie et de la gravité. La relativité restreinte introduit la constance de la vitesse de la lumière et une physique cohérente dans des référentiels non accélérés, tandis que la relativité générale explique la gravité comme la déformation de l’espace-temps par la masse. Ces théories jouent un rôle central dans les efforts scientifiques modernes, notamment en physique des particules et en technologie GPS.
Qu’est-ce que la théorie de la relativité ?
Relativité Il existe deux théories liées : relativité restreinte, qui explique la relation entre l’espace, le temps, la masse et l’énergie ; et relativité générale, qui décrit comment la gravité s’intègre dans le mélange. Albert Einstein a proposé ces théories à partir de 1905. Dans les années 1920, elles étaient largement acceptées par les physiciens.
Relativité restreinte implique deux idées clés. Premièrement, la vitesse de la lumière dans le vide est la même pour tout observateur, quel que soit l’emplacement ou le mouvement de l’observateur, ou l’emplacement ou le mouvement de la source lumineuse. Deuxièmement, les lois de la physique sont les mêmes pour tous les référentiels qui n’accélèrent ni ne ralentissent les uns par rapport aux autres. Un référentiel peut être considéré comme un environnement dans lequel un observateur est au repos.
Par exemple, lorsque vous conduisez sur la route, votre voiture peut être considérée comme votre cadre de référence. Vous êtes au repos par rapport à votre voiture et à tout ce qu’elle contient. Cependant, si un référentiel se déplace par rapport à un autre, ces deux référentiels ont chacun une perspective différente sur le temps et l’espace. Les trois dimensions de l’espace et la dimension unique du temps ainsi que la manière dont nous les mesurons constituent ce que les physiciens appellent la continuum espace-temps.
Pourquoi les objets ne peuvent-ils pas échapper aux trous noirs ? Parce que la relativité restreinte soutient que la vitesse de la lumière est la même dans tout le cosmos. Pour échapper à l’attraction gravitationnelle d’un trou noir à sa surface (l’horizon des événements), il faudrait qu’un objet se déplace plus vite que la lumière. Crédit : Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF
L’équation la plus célèbre d’Einstein décrit la relation entre l’énergie, la masse et la vitesse de la lumière. Il dit que l’énergie (E) est égale à la masse (m) fois la vitesse de la lumière (c) au carré (2), ou E=mc2. Cela signifie que la masse et l’énergie sont liées et peuvent être modifiées de l’une à l’autre. La masse est essentiellement la quantité de matière contenue par un objet (qui se distingue du poids, qui est la force de gravité sur un objet). La masse change en fonction de l’objet. En revanche, la vitesse de la lumière est une constante : elle est la même partout dans l’univers.
La vitesse de la lumière est incroyablement élevée. Parce que la vitesse de la lumière est au carré dans l’équation d’Einstein, de minuscules quantités de masse contiennent d’énormes quantités d’énergie. Un autre résultat de la théorie de la relativité restreinte est que plus un objet se déplace plus vite, sa masse observée augmente. Cette augmentation est négligeable aux vitesses quotidiennes. Mais à mesure qu’un objet s’approche de la vitesse de la lumière, sa masse observée devient infiniment grande. En conséquence, une quantité infinie d’énergie est nécessaire pour faire bouger un objet à la vitesse de la lumière. Pour cette raison, il est impossible à une matière de voyager plus vite que la vitesse de la lumière.
La relativité restreinte décrit le fonctionnement de l’univers pour des objets qui n’accélèrent pas, appelés référentiels inertiels. Cependant, il n’intègre pas la gravité. Cela fait partie de la théorie de relativité générale. Avant Einstein, la vision traditionnelle était que la gravité était une force invisible qui rassemblait les choses. Au lieu de cela, la relativité générale affirme que la gravité est la façon dont la masse déforme l’espace et le temps. Plus la masse est grande, plus elle déforme les choses. Imaginez que l’univers soit une feuille de caoutchouc recouverte d’objets de poids différents, chacun reposant dans une dépression incurvée formée par le poids de cet objet ; des objets plus massifs plieront davantage la feuille. La relativité générale explique pourquoi les étoiles, qui sont incroyablement massives, courbent le chemin de la lumière. Les trous noirs, avec d’énormes quantités de masse dans un petit espace, courbent tellement l’espace qu’ils emprisonnent la lumière.
La relativité restreinte et la relativité générale s’associent pour montrer comment le temps est mesuré différemment dans différents cadres de référence, appelé dilatation du temps. Cet effet se produit parce que différents cadres de référence perçoivent le temps et l’espace différemment. Prenons un exemple : le muon. Les muons sont des particules subatomiques créées lorsque les rayons cosmiques frappent l’atmosphère terrestre. Ils se désintègrent après seulement 2,2 microsecondes. Bien que les muons se déplacent presque à la vitesse de la lumière, ils se désintègrent si vite qu’ils ne devraient pas atteindre la surface de la Terre. Mais beaucoup le font. Pour un observateur dont le cadre de référence se trouve à la surface de la Terre, un muon ne devrait parcourir que 0,4 mile au cours de sa vie de 2,2 microsecondes. Mais comme les muons se déplacent si près de la vitesse de la lumière, à partir de leur cadre de référence, le temps passe pour eux environ 40 fois plus lentement que celui observé par un observateur terrestre. Cela signifie que, de notre point de vue sur Terre, un muon a une durée de vie de près de 90 microsecondes, pendant laquelle il peut parcourir 16 miles. Cet effet est connu sous le nom de dilatation du temps.
Faits saillants sur la relativité
- Conformément à la relativité, à mesure que les accélérateurs de particules accélèrent les particules subatomiques, ils rendent également ces particules incroyablement massives.
- Système de positionnement global (GPS) les satellites volent sur différentes orbites autour de la Terre. Ces orbites sont des cadres de référence différents, le GPS doit donc prendre en compte la relativité restreinte pour nous aider à naviguer.
Bureau scientifique du DOE : Contributions à la relativité restreinte et générale
En tant que théories fondamentales de la physique, la relativité restreinte et générale sous-tend tous les travaux soutenus par l’Office of Science du Département de l’énergie. La relativité est particulièrement importante pour la recherche des programmes de physique nucléaire et de physique des hautes énergies du Bureau des sciences du DOE. En outre, la relativité est essentielle pour de nombreuses installations scientifiques soutenues par le Bureau scientifique du DOE. Par exemple, les installations utilisateur des accélérateurs de particules du DOE, qui accélèrent les particules subatomiques jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière, doivent prendre en compte la relativité.
