La théorie de la relativité restreinte, qui au début du siècle dernier a bouleversé les idées généralement acceptées sur le monde, continue toujours d'exciter les esprits et les cœurs des gens. Aujourd'hui, nous allons essayer de comprendre ensemble de quoi il s'agit.
En 1905, Albert Einstein a publié la Théorie spéciale de la relativité (SRT), qui expliquait comment interpréter le mouvement entre différents référentiels 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, il faut considérer leur mouvement l'un par rapport à l'autre, au lieu d'accepter l'un d'eux comme cadre de référence absolu.
Donc, si deux astronautes, vous et, disons, Herman, volez sur deux vaisseaux spatiaux et souhaitez comparer vos observations, la seule chose que vous devez savoir est votre vitesse par rapport à l'autre.
Théorie de la relativité restreinte ne considère qu'un cas particulier (d'où le nom), lorsque le mouvement est rectiligne et uniforme. Si un corps matériel accélère ou tourne sur le côté, les lois SRT ne s'appliquent plus. Puis la théorie de la relativité générale (GTR) entre en vigueur, ce qui explique les mouvements des corps matériels dans le cas général.
La théorie d'Einstein repose sur deux principes de base:
1. Le principe de relativité: les lois physiques sont conservées même pour les corps qui sont des référentiels inertiels, c'est-à-dire se déplaçant à une 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 utilisent la lettre c pour la vitesse de la lumière.)
L'une des raisons du succès d'Albert Einstein est qu'il a placé les données expérimentales au-dessus des données théoriques. Lorsqu'un certain nombre d'expériences ont 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.
A la fin du 19ème siècle, les physiciens étaient à la recherche d'un éther mystérieux - un milieu dans lequel, selon les hypothèses généralement acceptées, 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 la croyance que la vitesse de la lumière devrait 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 les expériences l'ont montré.
Homogénéité de l'espace et du temps
La théorie de la relativité restreinte d'Einstein postule une relation fondamentale entre l'espace et le temps. L'Univers Matériel, comme vous le savez, a trois dimensions spatiales: haut et bas, droite et gauche, et avant et arrière. Une dimension supplémentaire s'y ajoute - la dimension temporelle. 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 dans un vaisseau spatial, vous avez un laser dans les mains, à l'aide duquel vous envoyez des faisceaux de lumière au plafond sur lesquels un miroir est fixé. La lumière, réfléchie, tombe sur le détecteur qui les enregistre.
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, vous observant depuis un vaisseau au repos, verra une image complètement différente. De son point de vue, le faisceau de lumière voyagera en diagonale vers le miroir au plafond, s'y reflétera 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 jusqu'au détecteur vous semblera différent.
Ce phénomène est appelé dilatation du temps: le temps sur un vaisseau spatial 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 pour 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 réalité perçus différemment selon 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 = mc ^ 2.
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. Celles. plus l'objet se déplace rapidement, plus il devient lourd. Dans le cas d'atteindre la vitesse de la lumière, la masse du corps, ainsi que son énergie, deviennent infinies. Plus le corps est lourd, plus il est difficile d'augmenter sa vitesse; pour accélérer un corps de masse infinie, une quantité infinie d'énergie est nécessaire, 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 la masse-énergie.
En raison du lien fondamental entre ces deux concepts, la matière peut être transformée en énergie, et vice versa - l'énergie en matière.