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différence de temps entre ici et ds l'espace

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Salut à tous !
Pourquoi, si le temps s'écoule plus rapidement dans l'espace qu'il ne s'écoule sur terre, le voyageur qui irait dans l'espace reviendrait plus jeune que son jumeau resté sur terre le temps du trajet de son frère ???

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Re ! C'est une excellente question. Bien sûr, on pourrait te répondre : « c'est comme ça » ou « va suivre un cours de relativité » mais je vais te donner une explication que j'ai lue dans un livre d'initiation à la relativité ("Einstein pour débutant", éditions La Découverte).

Ce que je vais expliquer, c'est pourquoi le temps n'est pas un truc fixe pour tout le monde.

Trois parties :
1) Le principe de relativité.
2) L'expérience de Michelson et Morley.
3) Pourquoi ça implique la variation du temps.

1) Le point clé, c'est le principe de relativité de Galilée (qui a donné son nom à la théorie d'Einstein) : quand on est en déplacement uniforme (vitesse, constante, en ligne droite), c'est pareil que si on était immobile. Ça a l'air d'être une grosse banalité, et pourtant...

Exemple : je suis dans le train qui avance en ligne droite à 100 km/h, je jette verticalement une balle. Va-t-elle retomber dans ma main, ou bien loin derrière moi puisque le train s'est avancé entre temps ? On peut le calculer : si le jet dure 1 seconde, comme le train fait du 100 km/h donc du 28 m/s, la balle retomberait 28 mètres derrière moi, donc à l'autre bout du wagon. En réalité la balle tombe dans ma main car le train avance en mouvement uniforme, donc tous les phénomènes physiques se déroulent comme s'il était immobile, et quand il est immobile la balle retombe verticalement.

En fait, ça signifie que le mouvement uniforme est pareil que l'immobilité, donc que l'immobilité absolue n'existe pas. Ainsi on ne peut pas définir un endroit immobile dans l'univers qui servirait de référence.

Ce principe est à la base de la physique moderne : Newton s'y appuie, et une bonne partie de la physique s'appuie sur Newton. Donc c'est un principe important (s'il était faux, on s'en serait rendu compte depuis très longtemps...)

2) À la fin du 19ème siècle, pour expliquer la lumière, qui est un phénomène ondulatoire, il fallait lui trouver un support (une onde, c'est un truc qui se déplace dans un milieu, par exemple une onde sonore, ce sont des chocs de molécules : le milieu est l'air). On a appelé ce support l'éther. Problème : l'éther semble être un objet immobile, contredisant le principe de Galilée.

Michelson et Morley ont décidé de mesurer la vitesse de la Terre par rapport à cet éther (qui en fait n'existe pas, mais on ne le savait pas encore). Leur expérience, que je ne détaille pas, consiste à mesurer la vitesse de la lumière quand la Terre avance dans un certain sens, puis dans le sens opposé six mois plus tard (vu qu'elle tourne). On s'attendait à trouver une différence, qui traduirait le mouvement de la Terre dans l'éther. Or il n'y a pas eu la moindre différence ! La vitesse de la lumière est constante.

C'est un deuxième principe : quel que soit l'observateur, il mesurera la même vitesse de la lumière (qu'on notera c).

3) Einstein a découvert que ces deux points entraînent que le temps est relatif, c'est-à-dire dépend de l'observateur.

Imaginons un vaisseau spatial qui avance en ligne droite à la vitesse c. Son pilote se regarde dans le miroir. Voit-il son visage ?

Réponse 1 : ben oui, il voit son visage. Les photons issus de son visage avancent vers le miroir à la vitesse c, puis rebondissent sur le miroir et atteignent ses yeux, où est le problème ?

Réponse 2 : le problème, c'est que le pilote et son miroir avancent déjà à la vitesse c, donc si les photons issus du visage avancent à la vitesse c, ils ne décollent pas du visage et ne rattrapent jamais le miroir. Le pilote ne se voit pas.

Le principe de Galilée exclut la réponse 2 : le vaisseau est en mouvement uniforme, qui est équivalent à l'immobilité, donc le pilote se voit dans le miroir.

La constance de la vitesse de la lumière exclut la réponse 1. En effet, mesurons la vitesse des photons issus du visage, s'ils atteignent le miroir. Si c'est le pilote qui mesure (par rapport à lui), il trouve c, tout va bien. Mais un observateur extérieur trouvera c+c (la vitesse du vaisseau s'additionne à la vitesse des photons). Or c'est impossible : tout le monde doit mesurer c en vertu du principe 2).

Ah, zut !

En fait, la bonne réponse doit être la 1 à cause de Galilée, et la vitesse mesurée doit être dans les deux cas c à cause de Michelson & Morley. Pourtant, d'un côté c, de l'autre c+c... Mais Einstein fait remarquer qu'une vitesse, c'est une longueur divisée par une durée. Si on suppose que les longueurs et les durées sont les mêmes, ça ne marche pas, on a c et c+c. Mais si les longueurs et les durées ne sont pas les mêmes, on peut aboutir à avoir c d'un côté, et c de l'autre. En quelque sorte la variation des longueurs et durées peut se compenser pour donner c et non pas c+c. Einstein a même calculé comment gérer ça, mais je ne vais pas rentrer dans le détail des formules...

Bref : le temps n'est pas absolu mais relatif, et c'est le cas parce que nous vivons dans un univers où le mouvement uniforme est équivalent à l'immobilité et où il existe une vitesse limite constante (celle de la lumière).

On pourrait très bien imaginer un univers où il existe une immobilité absolue et où il n'existe pas de vitesse limite constante, et alors le temps serait le même pour tout le monde. Mais notre univers n'est pas ainsi.

[Ce message a été modifié par Bruno Salque (Édité le 28-11-2014).]

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Bonsoir Bruno !

Merci de cette fantastique démonstration très ludique ! C'est marrant d'ailleurs, j'ai vu il y a quelques temps (sur la 5 ou sur RMC découverte) un documentaire parlant justement de l'expérience qu'avaient menés Michelson et Morley sur l'"Ether" (de même l'histoire du train qui remonte à plus longtemps).

Et ton histoire des photons dans un vaisseau spatial m'a bien fait rire, même si je serais encline à penser que seule la réponse où le pilote se voit est valable : comme la nature a fait en sorte que rien ne dépasse la vitesse de la lumière, alors les 2 vitesses ne s'additionnent pas et, donc, les photons dans la cabine vont à une vitesse "normale" et le pilote peut voir son reflet.
En outre, je ne pense pas que quiconque pourrait, de l'extérieur !, "observer un pilote observer son reflet dans un miroir tandis qu'il volerait à la vitesse de la lumière"... Par conséquent, je pense que la question ne se pose même pas. Mais il est tout-de-même rigolo de l'imaginer (ce sont les scientifiques qui doivent s'arracher les cheveux x-D )!

Mais tout ceci ne répond pas vraiment à ma question : le temps qui s'écoule plus rapidement dans l'espace DEVRAIT faire vieillir plus vite le frère qui voyage dans celui-ci par rapport à son jumeau resté sur Terre (alors que le doc disait le contraire : le 1er frangin -qui voyage- reviendrait PLUS JEUNE sur Terre où le temps s'écoule plus lentement). C'est paradoxal... (tout comme le déplacement en ligne droite ou en ligne oblique qui ne donnent pas du tout le même résultat dans le temps ! Et ça aussi, ça me pose problème)

Mais c'est gentil d'avoir pris tout ce temps pour me donner 1 et même 2 réponses !

Bonne... journée !

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