Lorsqu'un objet se déplace extrêmement rapidement – à la vitesse de la lumière – obligez les hypothèses de base que nous tenons pour acquises ne s'appliquent plus. C'est la conséquence centrale de la théorie spéciale de la relativité d'Albert Einstein. L'objet a alors une longueur différente de celle lorsqu'elle est au repos, et le temps passe différemment pour l'objet que dans le laboratoire. Tout cela a été confirmé à plusieurs reprises dans les expériences.
Cependant, une conséquence intéressante de la relativité n'a pas encore été observée: l'effet soi-disant Terrell-Penrose. En 1959, les physiciens James Terrell et Roger Penrose (lauréat du prix Nobel en 2020) ont conclu indépendamment que les objets à évolution rapide devraient apparaître tournés. Cependant, cet effet n'a jamais été démontré.
Maintenant, une collaboration entre Tu Wien (Vienne) et l'Université de Vienne a réussi pour la première fois à reproduire l'effet en utilisant des impulsions laser et des caméras de précision – à une vitesse efficace de lumière de 2 mètres par seconde. La recherche est publiée dans la revue Physique des communications.
Contraction de la longueur d'Einstein
« Supposons qu'une fusée passe devant nous à 90% de la vitesse de la lumière. Pour nous, elle n'a plus la même longueur qu'avant son décollage, mais est 2,3 fois plus courte », explique le professeur Peter Schattschneider de Tu Wien. Il s'agit de la contraction de la longueur relativiste, également connue sous le nom de contraction de Lorentz.
Cependant, cette contraction ne peut pas être photographiée. « Si vous vouliez prendre une photo de la fusée en passant devant, vous devriez prendre en compte que la lumière de différents points a pris des durées différentes pour atteindre la caméra », explique Schattschneider.
La lumière provenant de différentes parties de l'objet et arrivant sur l'objectif ou notre œil en même temps n'ont pas été émises en même temps – ce qui se traduit par des effets optiques compliqués.
Le cube de course: apparemment tourné
Imaginons que l'objet super rapide est un cube. Ensuite, le côté tourné vers nous est plus loin que le côté vers nous. Si deux photons atteignent notre œil en même temps, un du coin avant du cube et un du coin arrière, le photon du coin arrière a voyagé plus loin. Il doit donc avoir été émis à une époque antérieure. Et à ce moment-là, le cube n'était pas à la même position que lorsque la lumière a été émise par le coin avant.
« Cela nous donne l'impression que le cube avait été tourné », explique Schattschneider. Il s'agit d'une combinaison de contraction de la longueur relativiste et des différents temps de déplacement de la lumière à partir de différents points. Ensemble, cela conduit à une rotation apparente, comme prévu par Terrell et Penrose.
Bien sûr, cela n'est pas pertinent dans la vie quotidienne, même lorsque vous photographiez une voiture extrêmement rapide. Même la voiture la plus rapide, une voiture ne fera que déplacer une infime fraction de la distance dans la différence de temps entre la lumière émise par le côté de la voiture face à nous et sur le côté vers nous. Mais avec une fusée se déplaçant près de la vitesse de la lumière, cet effet serait clairement visible.
La vitesse effective de la lumière
Techniquement, il est actuellement impossible d'accélérer les roquettes à une vitesse à laquelle cet effet pourrait être vu sur une photographie. Cependant, le groupe dirigé par Peter Schattschneider de Ustem at Tu Wien a trouvé une autre solution inspirée de l'art: ils ont utilisé des impulsions laser extrêmement courtes et une caméra à grande vitesse pour recréer l'effet en laboratoire.
« Nous avons déplacé un cube et une sphère autour du laboratoire et utilisé la caméra à grande vitesse pour enregistrer les flashs laser réfléchis à partir de différents points sur ces objets à différents moments », expliquent Victoria Helm et Dominik Horof, les deux étudiants qui ont effectué l'expérience. « Si vous obtenez le bon moment, vous pouvez créer une situation qui produit les mêmes résultats que si la vitesse de la lumière ne dépassait pas 2 mètres par seconde. »
Il est facile de combiner des images de différentes parties d'un paysage en une grande image. Ce qui a été fait ici pour la première fois, c'est inclure le facteur de temps: l'objet est photographié à de nombreux moments différents. Ensuite, les zones illuminées par le laser flash au moment où la lumière aurait été émise à partir de ce point si la vitesse de la lumière n'était que 2 m / s est combinée en une seule image. Cela rend l'effet Terrell-Penrose visible.
« Nous avons combiné les images fixes en courts clips vidéo des objets ultra-rapides. Le résultat était exactement ce à quoi nous nous attendions », explique Schattschneider. « Un cube semble tordu, une sphère reste une sphère, mais le pôle Nord est dans un endroit différent. »
Quand l'art et la science se tournent
La démonstration de l'effet Terrell-Penrose n'est pas seulement un succès scientifique – c'est aussi le résultat d'une symbiose extraordinaire entre l'art et la science. Le point de départ était un projet d'art-science de l'artiste Enar de Dios Rodriguez, qui il y a plusieurs années, en collaboration avec l'Université de Vienne et l'Université de technologie de Vienne, a exploré les possibilités de la photographie ultra-rapide et de la « lenteur de la lumière ».
Les résultats peuvent nous aider à comprendre un peu mieux le monde intuitif insaisissable de la relativité.
