5) Le Temps: l'Histoire de la découpe du temps

On pourrait se demander si les moyens de mesure du temps à des échelles de 10^-15 secondes se révèlent réellement importants. Outre le fait que ces mesures ont permis de faire de grandes découvertes au niveau atomique ou de permettre de prouver la véracité de "nouvelles" théories comme celle de la relativité, ces mesures précises servent dans la vie quotidienne.

Horloge atomique de l'observatoire royal de Belgique

Les télécommunications par exemple, dépendent principalement de la synchronisation des horloges mondiales. Le système de positionnement global (GPS), utilisé pour la navigation des avions, des navires, etc. dépend quasiment exclusivement de la stabilité du signal de temps émis par les horloges atomiques des satellites GPS en rotation autour de la Terre. Un temps exact est de plus indispensable à l'étude de plusieurs domaines comme l'astrophysique, la géophysique et la physique relativiste. 

Le découpage des journées en 24 heures est une longue histoire que nous ne raconterons pas en détails ici...

Sachez seulement qu'à l'époque où le temps n'était déterminé qu'à la mesure d'une clepsydre ou d'un cadran solaire, le principe même de l'heure restait confus, et sa durée variable.

                                                

La base 24 proviendrait des Égyptiens, pour qui les 24 h étaient divisible en 2 parties : Jour/Nuit. 
Chez les Égyptiens le jour et la nuit duraient environ 10 heures, aux extrémités desquelles étaient rajoutées deux heures dont on ne pouvait préciser si elles appartenaient au jour ou à la nuit. (entre chien et loup).

Pour quelle raison divise-t-on les heures et les minutes par 60 ?

D'après l'observatoire de Paris, la base 60 proviendrait d'un héritage babylonien. Le nombre 60 à l'indéniable avantage de posséder un grand nombre de diviseurs (2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20, 30), ce qui s’avérait commode pour les calculs de fraction à l'heure où les techniques de division n'étaient pas encore connues.

C'est pour cette raison que 60 servait de base de calcul, cet usage a perduré de nos jours.

La mesure du temps s'est longtemps appuyée sur les déplacements les plus réguliers visibles à savoir la rotation propre de la Terre (le jour), celle de la lune (les mois) où encore celle de la Terre autour du Soleil (l'année).

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6) La seconde, pilier de base de la mesure du temps

Elle a d'abord été définie comme la fraction 1⁄86400 du jour solaire terrestre moyen (24h00).
En 1956, pour tenir compte des défectuosités de la rotation de la Terre qui ralentit notamment à cause des marées, la seconde a été établie sur la révolution de la Terre autour du Soleil et déterminée comme la fraction1⁄31 556 925,9747 de l'année tropique1900.


Depuis la 13e Conférence générale des poids et mesures, la seconde n’est plus basée par rapport à la rotation des planètes, mais par rapport à une propriété de la matière ; cette unité de base du système international a été définie en 1967 dans les termes suivants :


"La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F3 et F4 de l’état fondamental de l’atome de césium 133."


Le césium 133 a un numéro atomique égale à 55,  sa masse atomique est de 133.


Les atomes peuvent être dans différents niveaux d'énergie qui sont quantifiés. Le niveau d'énergie le plus faible est communément appelé le "niveau fondamental". Ce niveau fondamental se divise en deux niveaux hyperfins notés respectivement F3 et F4.
Nous savons aussi, que pour faire passer un atome d'un niveau d'énergie à un autre, il faut lui fournir une certaine énergie, sous forme de rayonnement électromagnétique, correspondant à la différence d'énergie des deux niveaux considérés.


Des études menées dans les années 50 ont montré que l'atome de césium 133 pouvait passer du niveau hyperfin noté F3 au niveau hyperfin noté F4 lorsqu'il était soumis à un rayonnement micro-onde de fréquence 9192631770 Hz.
Lors de sa session de 1997, le Comité international a officialisé le fait que cette définition se rapporte à un atome de césium au repos, à une température de 0 K (kelvin).







Aujourd'hui, le moyen le plus précis dont nous disposons pour mesurer le temps est l'Horloge atomique.


Les horloges atomiques utilisent un petit four pour vaporiser du césium(1), le transformant en un "jet atomique". Le jet d'atomes qui en résulte passe par des faisceaux laser(2) qui vont trier les atomes, seuls ceux étant dans le niveau inférieur (F3) pénètrent dans la cavité de Ramsey(3). Il sont ensuite soumis à une onde électromagnétique de fréquence exacte de 9 192 631 770 Hz. qui permet la transition vers le niveau F4.
Lorsqu'ils changent d'état, ils émettent une radiation qui est captée par une électrode (6). Ils le font avec une régularité de métronome*, au rythme de 9 192 631 770 vibrations par seconde. La marge d'erreur étant d'une seconde tous les trois millions d'années, on peut raisonnablement dire que la seconde a aujourd'hui une définition fiable.


En 1967,  l'atome de Césium 133 était le candidat idéal à la définition de la seconde pour plusieurs raisons :


- Le césium 133 est relativement insensible aux champs électriques. Les minuscules champs électriques à l’intérieur de l'horloge auront un effet nul ou négligeable sur les atomes de césium.


- Le césium est moins rare, et donc moins cher, que d'autres éléments dans le groupe des Alcalins tel que le Rubidium.


- La transition de F3 à F4 est une transition magnétique. Le césium est l'atome alcalin dont cette transition est la moins sensible aux champs magnétiques. Il est donc très peu probable que l'atome fasse une transition de ce genre spontanément. Cela signifie que les atomes dans l'état F4 vont y rester relativement longtemps comparé au temps d'observation, permettant une meilleurs fiabilité de la mesure.




 Toutefois, nous assistons depuis quelques années à une "course à la précision", d'autres atomes ont été identifiés comme capables d'une précision plus exhaustive encore. En effet, cette précision devient cruciale dans les mesures de l'infiniment petit.
 
On a comme éventuels candidats les atomes de calcium, ytterbium, strontium, mercure…
De plus, on attend des "fontaines à césium" une précision 10 à 100 fois plus importante que pour l'horloge atomique.







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7) Unité de temps: le jour et l'année

Le jour :

le jour sidéral : correspond à la durée de la rotation de la Terre sur elle-même ( environ 23 heures 56 minutes et 4 secondes ).

le jour solaire vrai : correspond à la durée séparant deux levers, deux couchers ou deux passages du Soleil au méridien. Il varie de 23 h 59 min 39 s à 24 h 0 min 30 s , il équivaut donc approximativement à 24 heures.

Le jour solaire vrai peut être considéré comme plus long que le jour sidéral, la raison résultant du mouvement de la Terre autour du Soleil.

Le jour solaire vrai varie au fil de l'année. C'est pour cela que, si on veut que la durée appelée un jour corresponde à la même valeur tout au long de l'année, on fait la moyenne sur un tour complet de l'orbite terrestre. La durée ainsi obtenue que l'on appelle "jour solaire moyen" correspond aux incontournables 24 heures, soit 86400 secondes

L'année :

L’année, en tant qu'unité de temps, désigne habituellement une année civile, généralement de 365 jours Elle se rapproche de l'année Julienne qui vaut exactement 365,25 jours. D'où la présence d'une année bissextile une fois tout les 4 ans, d'une durée de 366 jours pour rattraper les trois quarts de jour perdu lors des trois années précédentes additionnés du quart qui aurait été perdu la quatrième année.

Année tropique :

Se définit comme la durée séparant deux équinoxes de printemps.


L'axe de la Terre est incliné de près de 23,44° par rapport au plan de son orbite. Certaines théories affirment que cela serait dû à la rencontre de la terre avec un corps particulièrement massif. Le choc aurait changé l'inclinaison de la Terre, permettant par la même occasion les saisons.
En effet, du fait de cette inclinaison, la Terre offre son hémisphère nord à la perpendiculaire de la majeure partie des rayonnements solaires pendant environ une moitié de l'année et son hémisphère sud pendant l'autre moitié. Ce qui créé les différences de chaleur et de luminosité qui caractérisent les 4 saisons.
     
A chaque équinoxe, l'ensemble des points du globe situés sur un même méridien, reçoivent simultanément la lumière du Soleil à une puissance de rayonnement équivalente, le Soleil quand à lui se retrouve situé exactement en face de l'équateur.

Il y a deux équinoxes, celui de printemps qui varie du 20 au 21 mars, et celui d'automne qui fluctue du 22 au 23 septembre.

En 2000 l'année tropique avait une durée de 365 jours 5 h 48 min 45,2606 secondes.

La durée de l'année tropique a tendance à diminuer...de 0,53 seconde par siècle. La cause résultant des différentes interactions gravitationnelles entre la Terre, la Lune et les autres corps du système solaire.

2012-2000= 12 donc diminution de 12% par rapport à l'année 2000. (12*0,53)/100= 0,0636 secondes de moins par rapport à l'année 2000 on a donc en 2012 une année tropique de 365 jours 5 h 48 min 45,1970 secondes.

Année sidérale :

L'année sidérale correspond à la durée nécessaire pour que le Soleil retrouve la même position par rapport aux étoiles supposées fixes sur la sphère céleste, observées depuis un lieu identique sur la Terre.

Il s'agit aussi du temps que met la Terre à effectuer une révolution complète sur son orbite dans un référentiel immobile.

Une année sidérale dure en moyenne 365 jours 6 h 9 min 10 s.

L'année sidérale est de 20 minutes et 24 secondes plus longue que l'année tropique moyenne.

Année anomalistique :

L’orbite terrestre étant elliptique, la distance entre la Terre et le Soleil varie au cours de l'année, on détermine donc une année anomalistique en fonction du périhélie qui est le point le plus proche du Soleil. Une année anomalistique est l'intervalle de temps séparant deux passages de la Terre à son périhélie.

Mais du fait de l'attraction gravitationnelle de planètes proches, le périhélie se déplace légèrement chaque année (par rapport aux étoiles, que l’on considère fixes ici).

De ce fait, l'année anomalistique se trouve être légèrement plus longue qu’une année sidérale (de 4 min 43 s).

La durée de l’année anomalistique en 2000 était de 365 jours 6 h 13 min et 53 s.

Année-lumière :


Une année-lumière est la distance parcourue par un photon dans le vide, en dehors de tout champ gravitationnel ou magnétique, en une année julienne (365,25 jours soit 31 557 600 secondes). La vitesse de la lumière dans le vide étant de 299 792 458 m/s, une année-lumière est exactement égale à 9 460 730 472 580,8 km, soit environ 9 460,730 473 milliards de km. Attention, une année lumière est une mesure de distance et non de temps, cependant ces deux appellations se sont révélées être indissociables suite aux découvertes d'Einstein.

Toutes ces dénominations ont servi ou servent toujours à se repérer dans le temps. Bien que, comme nous le verrons par la suite cette même notion de temps reste quelque chose de très relatif qui comporte encore pleins de mystères. Il ne tient qu'à nous de les découvrir...

      

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8) Courte biographie d'Einstein, préambule de la théorie de la relativité

Albert Einstein (14/03/1879-18/04/1955) né à Ulm est un physicien d’origine allemande théoricien qui développa plusieurs théories notamment celle de la relativité générale. 

 

Sa famille déménage en Suisse et c'est à l'école polytechnique de Zurich qu'il continue ses études. Il rencontre pendant ses études : Mileva Maric qu'il épousa en 1903. 


En 1905, il publie trois grands articles fondamentaux : le mouvement brownien (les molécules d’eau dans un état liquide sont animées d’un mouvement qui est saccadé et imprévisible), l'effet photo-électrique (d'après une expérience réalisée, ce n’est pas le nombre de photons qui compte pour que le phénomène se produise mais la quantité d’énergie que chacun transmet) et la théorie de la relativité restreinte. Il deviendra alors professeur dans diverses universités d'Europe. Il poursuit ses travaux pour aboutir en 1915 à la théorie de la relativité générale. 


L'arrivée au pouvoir d'Hitler en 1933 l'amène à immigrer vers les États-Unis, il est menacé et refuse la doctrine nazie. Il décida de ne pas revenir en Allemagne, où il avait été professeur à l'Académie des Sciences de Berlin. Il s'installe donc aux États-Unis et devient citoyen américain en 1940 au début de la Seconde Guerre mondiale.
Il informera plus tard, dans une lettre le président Franklin D. Roosevelt que l'Allemagne prévoyait de développer une arme atomique. Il recommanda à F.D Roosevelt de commencer à faire des recherches similaires.


Plus tard, avec Bertrand Russell, Einstein a signé le Manifeste Russell-Einstein, qui souligne le danger des armes nucléaires. Très opposé à l'utilisation de cette bombe, il sera un militant pacifiste très actif qui rêve d'un gouvernement mondial. Einstein était affilié à l'Institute for Advanced Study à Princeton, New Jersey, jusqu'à sa mort en 1955. 

Einstein a publié plus de 300 articles scientifiques ainsi que plus de 150 non-scientifiques. 


Il a inventé et déposé de nombreux brevets avec plusieurs de ses amis : 
- En 1908 avec Paul Habicht ils créent un voltmètre pouvant mesurer des tensions de l’ordre d’un dix-millième de volt. Il est commercialisé à partir de 1912.
- Appareil de correction auditive : c'est l'un des nombreux brevets déposés avec Leó Szilár.

Il reçoit :

1921 : Prix Nobel de la Physique "pour services rendus à la physique théorique, et surtout à la découverte de la loi de l'effet photoélectrique". 

1929 : Médaille Max Planck 

1931 : Prix Jules Jansen

1935 : Médaille Franklin

Les découvertes d'Einstein ont pu permettre la création des fours à micro-ondes, lasers, rayons-x, écrans LCD, scanners médicaux, accélérateurs de particules...

Rayon-x

four à micro-ondes

écran LCD

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9) La relativité restreinte partie 1

L'énigme de la célérité:

Sur la gauche = A.A Michelson, sur la droite = E.W Morley

En 1887, deux physiciens, Édouard Morley et Albert Michelson ont tenté de mesurer la vitesse de la lumière (se reporter à l'article sur Galilée). Mais les résultats qu'ils trouvèrent furent contradictoires aux lois de la physique notoire de l'époque, à savoir celles de Galilée d'après lequel le mouvement dépend du référentiel à partir duquel on le mesure.

Précédemment aux découvertes d'Einstein, on se basait alors principalement sur la règle de composition des vitesses de Galilée selon laquelle, un spectateur immobile verra passer plus rapidement un train qu'un automobiliste avançant à vitesse moindre dans le même sens que le train. La vitesse ne découle pas uniquement du corps en mouvement, mais aussi de la vitesse du spectateur.

Einstein ne pensait pas que ce principe pouvait s'appliquer à la lumière. 

Si tel était le cas, un observateur fixe et le passager d'un avion devraient apercevoir des rayonnements de lumière à des vitesses différentes, et si l'un des observateurs allait aussi vite que la lumière, il apercevrait de la lumière statique.

Pour Einstein, il était plus plausible que la lumière ait une vitesse constante. Il décida donc de prendre au sérieux les valeurs déterminées par Michelson et Morley , à savoir que la vitesse est une constante de valeur 299 792. 458 km.s^-1

Si tel est le cas, deux spectateurs l'un immobile, l'autre en déplacement observeront une même vitesse pour le déplacement d'un photon !

Si la vitesse de la lumière est une constante, la distance qu'elle  parcourt et le temps nécessaire à ce parcours devraient se comporter de manières différentes, puisque ces notions sont reliées par l'équation vitesse=distance/temps.

Einstein a ainsi soulevé une question importante qui allait être la base de ses découvertes futures : l'espace (la distance) et le temps considérés comme des constantes depuis des millénaires en sont-elles réellement ?

La vitesse de la lumière, principe de base des théories d'Einstein :

Postulat de la relativité restreinte, le photon qui ne dispose d'aucune masse a une vitesse maximale qu'aucun corps ne peut atteindre car sa masse deviendrait alors si importante qu'il lui faudrait une énergie infinie pour vaincre son inertie et atteindre une vitesse plus élevée.


La loi d'additivité des vitesses (Newton) s'écrit :

V  =   v1   +   v2      (Ce qui n'est valable que pour des vitesses faibles. Au delà d'un certain seuil la marge d'erreur devient non négligeable et les valeurs deviennent fausses).


D'après le deuxième postulat d'Einstein, elle s'écrit:

V = (v1+v2) / (1+(v1+v2)/c²)            Avec c = célérité (vitesse de la lumière).

On remarque que, même si v1 et v2 (ou les deux) sont égales à la vitesse de la lumière (considérée comme la plus importante possible) le résultat ne peut être plus important que c. 

Exemple :  Posons v1 et v2 égales à la vitesse de la lumière.

V = (c+c) / (1+c x c / c²)

V = (c+c)/ (1+1)

V =c

Selon cette formule, la célérité est une vitesse infranchissable...Toutes les bases de la physique relative sont basées sur ce principe. Les récents événements concernant les neutrinos, s'ils s'avéraient fondés seraient un drame pour la théorie d'Einstein.

La déformation du temps :

Grâce à ces travaux sur la vitesse constante de la lumière, il a notamment été possible de mesurer la distance Terre-Lune.
 Les astronautes qui sont allés sur la Lune y ont déposé des rétro-réflecteurs (équivalent de miroirs) : trois par les Américains et deux par les Russes.

Les astronomes ont envoyé un laser sur les rétro-réflecteurs et ont calculé la distance séparant la Terre de la Lune en fonction du temps que met le laser pour faire l'aller-retour. 
Comme il lui faut environ 1.28 secondes et que d=v*t avec v=299 792 458 m/s et t=1.328s, on obtient d=383 734 346m.

La distance Terre-Lune varie puisque cette dernière suit une orbite elliptique. On admet communément cette distance comme étant égale à 384 500 km.

Trajectoire du laser vue par l'astronome resté à Terre

Imaginons maintenant un astronaute qui passerait en vaisseau spatial près de la trajectoire du laser à une vitesse proche de celle de la lumière.

Suivant sa propre trajectoire il observera non pas une oscillation uniforme et droite du laser entre la Terre et la Lune mais un déplacement irrégulier puisqu'il bouge. 

            Sens de déplacement de l'astronaute par rapport au laser              

                             trajectoire du laser vue par l'astronaute

Du point de vue de l'astronaute, le laser parcourt une distance plus importante que pour l'astronome resté à Terre.

La distance est plus importante mais la vitesse est la même. Seul le temps peut donc compenser la différence !!!

C'est à dire que, pour l'astronaute, l'oscillation Terre-Lune s'effectue plus lentement que pour l'astronome resté à Terre et donc que le temps s'écoule plus lentement pour lui !

Cette découverte défie le sens commun. Il est en effet difficilement concevable pour nous simples mortels d'imaginer que le mouvement induit le ralentissement du temps. Cela veut dire qu'une montre en mouvement fonctionne plus lentement qu'une montre stationnaire !!!

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10) La relativité restreinte partie 2

La théorie de la relativité restreinte a été démontrée par des horloges atomiques d'une précision extrême.

L'une d'elle a été placée dans un avion tandis qu'une deuxième est restée immobile sur Terre. Au retour de l'avion à terre, on a finalement observé que l'horloge statique avait été plus rapide.

Si l'on avait utilisé un véhicule beaucoup plus prompt à se déplacer, suite à la dilatation du temps, l'horloge du vaisseau aurait été beaucoup plus lente que celle restée à terre. La différence n'aurait plus été de quelques nanosecondes mais d'un temps bien plus conséquent.

En effet, tous les corps en déplacement sont touchés par la dilatation du temps.

Admettons un objet mesurant 1m dans un référentiel A. Maintenant imaginons qu'un homme dans un référentiel B en déplacement par rapport au référentiel A décide de mesurer cet objet. Il obtiendra une taille différente égale à :

Taille de l'objet/[1/(1-v² /C²)1/2] où C est la célérité et v la vitesse de déplacement de A par rapport à B.

la vitesse ordinaire d'un TGV: 90 m/s     

1 mètre/[1/(1-90²/299 792 458²)1/2]

1 mètre/[1/(1-9.01245654*10-14)1/2]

1 mètre/[1/√(1-9.01245654*10-14)]

1 mètre/[1/1]

Soit 1 mètre également. On obtient donc une valeur proche à l'extrême de 1.

On observe que si v est petit par rapport à C, ce qui est courant à notre échelle (vitesse d'un train, d'un avion etc...) cela ne modifie quasiment pas la taille de l'objet du référentiel A vu par l'homme du référentiel B. La différence se remarque lorsque V est supérieure à 10% de C, ce qui est considérable.

La vitesse d'un électron dans un tube cathodique (Propulseur pour afficher des images sur un écran de télé par exemple) : 30 000 000 m/s. Soit approximativement 1/10 de la vitesse de la lumière.

1 mètre/[1/(1-30 000 000²/299 792 458²)^1/2]

1 mètre/[1/√(0.9899861495)]

1 mètre/[1.005044846]

Soit 0.9949804767 mètre.

Un homme qui passera à la vitesse exprimée ci-dessus et qui tentera de mesurer un objet d'un mètre dans un référentiel A (statique rappelons le) mesurera un objet de moins d'un mètre !!!

Ce qui prouve bien qu'une taille n'est pas absolue, elle dépend du référentiel à partir de laquelle on l'observe !

Imaginons Maintenant qu'un vaisseau spatial ait été pendant un an à une vitesse proche de celle de la lumière. A leur retour sur Terre, les passagers de ce vaisseau auraient de leur point de vue, vieilli d'un an.

Leurs amis restés sur Terre auraient, eux, vieilli 20 fois plus vite. Le voyage aurait donc été comme un bond dans le futur (Attention, un bond dans le futur, certes mais dans le futur des autres !!! Pour aller dans notre futur, la seule solution envisageable reste aujourd'hui d'attendre...).

Cela nous prouve que, à l'instar de l'espace (la taille) le temps change selon l'endroit où l'on se trouve. Un temps absolu, comme l'imaginait Newton s'est révélé, à la suite des découvertes d'Einstein, complètement faux. L'espace et le temps sont donc relatifs !!!

Illustration des effets de la relativité restreinte, l'exemple des muons:

Il existe une particule intermédiaire du point de vue de la masse entre le proton et l'électron : le muon.
C'est une particule qui est créée directement dans notre atmosphère à la suite de la collision entre un rayon cosmique et des molécules de notre atmosphère.

La durée de vie du muon est très courte, c'est une particule instable. Elle est environ de 1.56 microsecondes, après quoi elle se désintègre.

En outre, cette particule se déplace à une vitesse voisine de celle de la lumière (0.989c).

300000 x 0.989 = 296700 km/h

296700 x 1.5x10^-6 = 0.44505 km. Soit 445,05 mètres avant que la particule ne disparaisse.

On a découvert que lors de leur entrée dans l'atmosphère, les muons parcouraient une distance 10 à 100 fois plus longue que les prévisions des théories de la mécanique classique.

On a pu, grâce à la théorie de la relativité restreinte comprendre que le muon subissait, du fait de son déplacement, la dilatation du temps.

De notre point de vue, le temps est ralenti dans son référentiel, ce qui lui permet d'atteindre une plus grande distance. En effet, ses 1.56 microsecondes de vie durent plus longtemps pour nous que pour lui (alors que la vitesse reste la même dans les deux référentiels). Pour donner une idée, 1 seconde pour le muon dure presque 10 secondes pour nous ! On comprend mieux pourquoi on retrouve autant de ces particules à une si faible hauteur.

  La dilatation du temps soulève toutefois un paradoxe intéressant.

Si des astronautes se déplaçant à une vitesse proche de C et subissant une forte dilatation du temps observent un astéroïde tomber sur une planète, ils le verront tomber d'une façon anormalement lente et pourtant les dégâts provoqués par ce dernier seraient à leurs yeux les mêmes que ceux que verrait un homme sur cette même planète (si il survit...).

Les dégâts sont provoqués d'une part par la vitesse du corps et de l'autre par sa masse.

Sauf que, si les membres du vaisseau voient le corps céleste tomber lentement, mais que les dégâts qu'il fait en touchant la planète sont ceux que ferait un astéroïde tombant à vitesse normale...C'est que sa masse est logiquement plus importante !!!

Une masse peut donc grandir ? 

De la même manière que le temps et l'espace ont été déchus de leurs positions de constantes, Einstein met à bas une énième conviction de l'Homme en prouvant que plus un corps se déplace rapidement, plus sa masse augmente !

Par exemple une balle de tennis lancée à pleine vitesse aura une force plus importante sur la raquette d'un joueur, que si elle y avait été délicatement posée et le joueur devra fournir un effort plus important pour la renvoyer.

Einstein a ainsi pu constater que la masse n'est qu'une énergie sous une forme particulière.

 
Cette énergie peut être calculée simplement en multipliant la masse par le carré de la lumière, la très célèbre formule E=mc².

D'après cette règle même lorsqu'un corps est inerte, un kilo de sa masse au repos peut avoir l'énergie nécessaire pour soulever plusieurs milliards de tonnes.

Cette énergie a pu être observée avec la découverte du nucléaire qui à partir d'une masse insignifiante peut produire une énergie colossale !

La relativité restreinte à permis une véritable révolution des mentalités. D'un Temps Universel et absolue Einstein à fait une dimension changeante et flexible !


Au delà de cette phénoménal découverte la relativité restreinte redéfini certaine lois de la nature et remet en cause notre perception du monde !




"Il est absolument possible qu'au delà de ce que perçoivent nos sens, il se cache un monde insoupçonné."

                                                                               Alber Einstein. 


    

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11) La relativité générale partie 1

Mais la théorie d'Einstein ne s’arrête pas là ! Ce n'est pas pour rien que la première sera appelé "relativité restreinte". Elle ne s'applique en effet qu'aux référentiels galiléens, c’est-à-dire des référentiels en mouvement de translation rectiligne uniforme les uns par rapport aux autres.

Pour arriver à la théorie de la relativité générale, il partit du postulat qu'il est absolument impossible pour une personne de dire si elle subit un mouvement accéléré uniforme, ou si elle est dans un champ gravitationnel. Il parvint à la conclusion que la masse d'inertie est exactement égale à la masse gravitationnelle.

Nous entrons donc dans la continuité de notre problématique. Après avoir précédemment évoqué la notion de temps telle qu'elle est connu de nos jours, nous allons maintenant observer comment la gravitation entre en jeux dans les découverte d'Einstein.

Rappelons d'abord la conception de l'Univers telle qu'elle est admise par la communauté scientifique internationale à la fin du 19ème siècle.  La description de la réalité était conçue à travers quatre notions fondamentales, bien séparées les unes des autres: (1) l'Espace, (2) le Temps, (3) la Force, et (4) la Matière.

A la suite de la théorie de la relativité restreinte, Einstein avait réussi à en associer deux : l'espace et le temps...Restait les autres...!

Un problème se posait. Selon Newton, la force de gravitation s'exerce instantanément. Alors que la théorie de la relativité restreinte stipule clairement que rien ne peut aller plus vite que la lumière !

La gravitation Newtonienne entre donc en contradiction avec la théorie d'Einstein... !

De plus, le caractère absolu de l'espace-temps (ces deux parties étant indissociables) paraissait physiquement inacceptable à Einstein. En effet, comment l'espace-temps pourrait-il influencer la matière ? ( ex: en "contraignant" un corps libre à se déplacer en ligne droite et à vitesse constante dans l'espace-temps) et non l'inverse ? Einstein pensait donc naturellement qu'il existait une influence en retour de la matière sur l'espace-temps... !

Il eut l'idée de généraliser sa théorie en y incluant la gravité.

(Nous y voilà !)

Plus simplement, Einstein parvint à ceci : il n'y a aucune différence entre gravitation et accélération.
Il s'agit du principe d'équivalence.


Par exemple, un observateur situé dans un compartiment sur Terre , soumis à un champ gravitationnel, aura la même sensation d'écrasement vers le bas que si il était dans un compartiment en dehors de tout champ gravitationnel propulsé à une vitesse uniformément  accélérée.




Cette hypothèse amena progressivement Einstein à la relativité générale puisque, si la vitesse ralentit le temps, alors l'accélération et donc la gravitation ralentissent aussi le temps. Il mit ainsi en évidence le fait que la gravitation, engendrée par la matière, retarde le cours du temps...!

Il finit par arriver progressivement à la conclusion que l'espace-temps n'est pas simplement modifié par le mouvement mais également par la présence de matière.


Il postula donc que toute présence de "masse énergie" (puisque E=mc², matière et énergie sont liées.) dans l'espace-temps influe sur la "chrono géométrie" (l'espace-temps est en effet représenté de manière géométrique) en "courbant" cette dernière.


Cette déclaration est très importante, puisqu'elle permet l'unification des 4 notions fondamentales. De fait, l'espace-temps n'est plus absolu, puisqu'il est influencé par l'existence de matières et donc de forces en son sein.

Autant Newton concevait la gravitation comme une force induite par un corps, un soleil par exemple qui dévie perpétuellement une planète de sa trajectoire spontanée (qui sans la présence de l'astre serait une ligne droite dans laquelle la planète se déplacerait à vitesse constante).

Autant Einstein la perçoit comme un comportement "naturel" dû à la déformation de l'espace-temps par la présence d'un corps qui "creuserait" la chrono-géométrie. Selon lui, un corps courbe son espace-temps par sa force d'attraction, ce qui crée un puits gravitationnel autour de lui. Tout autre corps qui s'approche de ce puits est dévié, voir si il est assez proche tombe dans ce puits et suit un mouvement circulaire tout autour du corps principal. En fait, si l'on y réfléchit, ce mouvement n'est pas une ellipse, mais une ligne droite dans un espace courbé par la masse du corps. 

Les corps célestes exercent donc une attraction de gravitation, qui à l'instar de l’accélération freine l'écoulement du temps. Plus on se rapproche du centre de la Terre, plus le temps s'écoule lentement. De fait, l'on vieillit moins vite au bord de la mer qu'au sommet d'une montagne...A plus petite échelle vos pieds vieillissent moins vite que votre tête...De toute manière ces changements sont de l'ordre de l’infinitésimal et passent donc inaperçus.


Pour avoir une idée sachez qu'une horloge se mouvant à un vitesse de 1000 km/h retarde d’environ 1,5 µs/h par rapport à une horloge stationnaire (selon la relativité restreinte).
Pour avoir un chiffre équivalent avec la relativité générale, il faudrait une différence d'altitude de 10 000 mètres entre chacune des deux horloges. Cependant, dans ce cas, l'horloge qui retarde sera celle qui est au sol (puisqu'elle se situe plus près du centre de gravité du corps céleste).


Vivez donc au ras du sol, fuyez l'altitude !!! En montagne y a que ces gars-là qui peuvent espérer survivre longtemps !!!

Bien, cela est définitivement admis, la matière déforme le temps. Donc, suivant toute logique elle déforme aussi l'espace...Par conséquent, les longueurs devraient changer lorsqu'elles s'approchent des corps célestes au même titre que le temps !


Ainsi, si l'on faisait passer un mètre par le centre de la Terre pour mesurer le diamètre de celle-ci, le mètre rétrécirait.
L'intérieur de la terre est plus grand que sa circonférence ne le laisse à postériori imaginer.

Einstein a réussi à déterminer que le volume au centre d'un espace se dilate à l'approche d'un grand corps céleste.


Il est pourtant difficile d'imaginer qu'il existe au centre de la terre un volume plus grand qu'il n'est visible de l’extérieur. C'est la raison pour laquelle ce phénomène à été schématisé en un modèle bidimensionnel.

La surface plane symbolise l'espace. Quand celui-ci augmente sa surface s'étire et se creuse, créant la place nécessaire et aménageant ainsi un "puits gravitationnel". Un satellite ne tourne donc autour de la terre qu'à cause de ce "puits gravitationnel". Sans lui il avancerait en ligne droite.

 La relativité général permet de relier espace-temps et gravitation comme les fondement des interactions de notre Univers.

Il en existe peut être d'autres (due à la matière noire ou à la matière sombre...) qui cependant reste à ce jour des spéculations invérifiables.

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