Quelles sections la théorie de la relativité d'Einstein comprend-elle ? La théorie de la relativité d'Einstein, expliquée et lue avec des mots courts et compréhensibles. Méthodes de vérification du GTR

02.07.2020

Deux postulats sur lesquels repose la théorie de la relativité :

Le principe de relativité- Selon lui, dans tous les systèmes de référence existants, qui se déplacent les uns par rapport aux autres à vitesse constante et ne changent pas de direction, les mêmes lois s'appliquent.
Le principe de la vitesse de la lumière- La vitesse de la lumière est la même pour tous les observateurs et ne dépend pas de la vitesse de leur déplacement. C’est la vitesse la plus élevée, et rien dans la nature n’a une vitesse plus élevée. La vitesse de la lumière est de 3*10^8 m/s.

Albert Einstein s'est basé sur des données expérimentales plutôt que théoriques. Ce fut l'une des composantes de son succès. De nouvelles données expérimentales ont servi de base à la création d'une nouvelle théorie.

Depuis le milieu du XIXe siècle, les physiciens recherchent un nouveau milieu mystérieux appelé éther. On croyait que l'éther pouvait traverser tous les objets, mais ne participait pas à leur mouvement. Selon les croyances sur l'éther, en modifiant la vitesse du spectateur par rapport à l'éther, la vitesse de la lumière change également.

Einstein, faisant confiance aux expériences, a rejeté le concept d'un nouveau milieu éther et a supposé que la vitesse de la lumière est toujours constante et ne dépend d'aucune circonstance, comme la vitesse de l'homme lui-même.

Intervalles de temps, distances et leur uniformité

La théorie de la relativité restreinte relie le temps et l'espace. Dans l’Univers Matériel, il y en a 3 connus dans l’espace : droite et gauche, avant et arrière, haut et bas. Si nous leur ajoutons une autre dimension, appelée temps, cela formera la base du continuum espace-temps.

Si vous vous déplacez à vitesse lente, vos observations ne convergeront pas avec les personnes qui se déplacent plus rapidement.

Des expériences ultérieures ont confirmé que l'espace, comme le temps, ne peut pas être perçu de la même manière : notre perception dépend de la vitesse de déplacement des objets.

Relier l’énergie à la masse

Einstein a proposé une formule combinant l’énergie et la masse. Cette formule est largement utilisée en physique, et elle est familière à tous les étudiants : E=m*c², dans lequel E-énergie ; m - masse corporelle, c - vitesse propagation de la lumière.

La masse d’un corps augmente proportionnellement à l’augmentation de la vitesse de la lumière. Si l’on atteint la vitesse de la lumière, la masse et l’énergie d’un corps deviennent sans dimension.

En augmentant la masse d'un objet, il devient plus difficile d'augmenter sa vitesse, c'est-à-dire que pour un corps avec une masse matérielle infiniment énorme, une énergie infinie est nécessaire. Mais en réalité, cela est impossible à réaliser.

La théorie d'Einstein combinait deux dispositions distinctes : la position de la masse et la position de l'énergie en une seule loi générale. Cela permettait de convertir l'énergie en masse matérielle et vice versa.

À ce stade de la vie d'Einstein, son mépris mal dissimulé pour ses racines allemandes et les méthodes d'enseignement autoritaires de l'Allemagne avaient déjà fait des ravages, et il avait été expulsé du lycée. Il a donc déménagé à Zurich dans l'espoir de fréquenter l'Institut fédéral suisse. de technologie (ETH).

Mais d’abord, Einstein a décidé de passer une année de préparation dans une école de la ville voisine d’Aarau. À ce stade, il s’est vite demandé ce que ce serait de courir à côté d’un faisceau de lumière.

Einstein avait déjà appris en cours de physique ce qu'était un faisceau de lumière : un ensemble de champs électriques et magnétiques oscillants se déplaçant à 300 000 kilomètres par seconde, la vitesse mesurée de la lumière. S'il courait à proximité à la même vitesse, réalisa Einstein, il pourrait voir de nombreux champs électriques et magnétiques oscillants à côté de lui, comme s'ils étaient figés dans l'espace.

Mais c'était impossible. Premièrement, les champs stationnaires violeraient les équations de Maxwell, les lois mathématiques qui sous-tendent tout ce que les physiciens connaissaient sur l’électricité, le magnétisme et la lumière. Ces lois étaient (et sont toujours) assez strictes : toutes les vagues dans ces champs doivent se déplacer à la vitesse de la lumière et ne peuvent pas rester immobiles, sans exception.

Pire encore, les champs stationnaires ne correspondaient pas au principe de relativité, connu des physiciens depuis l'époque de Galilée et de Newton au XVIIe siècle. Essentiellement, le principe de relativité dit que les lois de la physique ne peuvent pas dépendre de la vitesse à laquelle vous vous déplacez : vous ne pouvez mesurer que la vitesse d'un objet par rapport à un autre.

Mais quand Einstein a appliqué ce principe à son expérience de pensée, une contradiction est apparue : la relativité dictait que tout ce qu'il pouvait voir en se déplaçant à proximité d'un faisceau de lumière, y compris les champs stationnaires, devait être quelque chose de banal que les physiciens pouvaient créer en laboratoire. Mais personne n’a jamais observé cela.

Ce problème hantera Einstein pendant encore 10 ans, alors qu'il étudiait et travaillait à l'ETH et s'installait à Berne, la capitale suisse, où il deviendrait examinateur à l'Office suisse des brevets. C’est là qu’il résoudra une fois pour toutes le paradoxe.

1904 : Mesurer la lumière d'un train en marche

Ce n'était pas facile. Einstein a essayé toutes les solutions auxquelles il pouvait penser, mais rien n’a fonctionné. Presque désespéré, il commença à réfléchir à une solution simple mais radicale. Peut-être que les équations de Maxwell fonctionnaient pour tout, pensa-t-il, mais la vitesse de la lumière avait toujours été constante.

En d’autres termes, lorsque vous voyez passer un faisceau de lumière, peu importe que sa source se déplace vers vous, s’éloigne de vous, s’éloigne de vous ou ailleurs, et peu importe la vitesse à laquelle sa source se déplace. en mouvement. La vitesse de la lumière que vous mesurez sera toujours de 300 000 kilomètres par seconde. Entre autres choses, cela signifiait qu’Einstein ne verrait jamais de champs oscillants stationnaires, puisqu’il ne serait jamais capable de capter un faisceau de lumière.

C'était la seule manière qu'Einstein voyait pour concilier les équations de Maxwell avec le principe de relativité. Mais à première vue, cette solution avait son propre défaut fatal. Il l'a ensuite expliqué par une autre expérience de pensée : imaginez un faisceau tiré le long d'un talus de chemin de fer pendant qu'un train passe dans la même direction, disons à 3 000 kilomètres par seconde.

Quelqu'un se tenant près du talus devrait mesurer la vitesse du faisceau lumineux et obtenir le nombre standard de 300 000 kilomètres par seconde. Mais quelqu'un dans un train verra la lumière se déplacer à 297 000 kilomètres par seconde. Si la vitesse de la lumière n'est pas constante, l'équation de Maxwell à l'intérieur du chariot devrait être différente, conclut Einstein, et le principe de relativité serait alors violé.

Cette apparente contradiction a fait réfléchir Einstein pendant près d’un an. Mais voilà qu'un beau matin de mai 1905, il se rendait au travail à pied avec son meilleur ami Michel Besso, un ingénieur qu'il connaissait depuis ses années d'étudiant à Zurich. Les deux hommes ont parlé du dilemme d'Einstein, comme ils l'ont toujours fait. Et soudain, Einstein a vu la solution. Il y travailla toute la nuit et lorsqu'ils se rencontrèrent le lendemain matin, Einstein dit à Besso : « Merci. J'ai complètement résolu le problème."

Mai 1905 : La foudre frappe un train en marche

La révélation d'Einstein était que les observateurs en mouvement relatif perçoivent le temps différemment : il est tout à fait possible que deux événements se produisent simultanément du point de vue d'un observateur, mais à des moments différents du point de vue d'un autre. Et les deux observateurs auront raison.

Einstein a ensuite illustré son propos avec une autre expérience de pensée. Imaginez qu'un observateur se trouve à nouveau à côté de la voie ferrée et qu'un train passe devant lui. Au moment où le point central du train dépasse l'observateur, la foudre frappe chaque extrémité du train. Puisque la foudre frappe à la même distance de l’observateur, sa lumière pénètre dans ses yeux en même temps. Il serait juste de dire que la foudre frappe simultanément.

Pendant ce temps, un autre observateur est assis exactement au centre du train. De son point de vue, la lumière provenant de deux éclairs parcourt la même distance et la vitesse de la lumière sera la même dans toutes les directions. Mais comme le train est en mouvement, la lumière provenant de l'éclairage arrière doit parcourir une plus grande distance, de sorte qu'elle arrive à l'observateur quelques instants plus tard que la lumière du début. Étant donné que les impulsions lumineuses arrivent à des moments différents, nous pouvons conclure que les éclairs ne sont pas simultanés : l’un d’entre eux se produit plus rapidement.

Einstein s'est rendu compte que c'est précisément cette simultanéité qui est relative. Et une fois que vous acceptez cela, les effets étranges que nous associons désormais à la relativité sont résolus à l’aide d’une simple algèbre.

Einstein écrivit fébrilement ses pensées et soumit son travail pour publication. Le titre était « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement » et reflétait la tentative d’Einstein de relier les équations de Maxwell au principe de relativité. Besso a reçu des remerciements particuliers.

Septembre 1905 : masse et énergie

Ce premier travail n’est cependant pas le dernier. Einstein fut obsédé par la relativité jusqu'à l'été 1905 et, en septembre, il soumit un deuxième article pour publication, cette fois rétrospectivement.

C’était basé sur une autre expérience de pensée. Imaginez un objet au repos, dit-il. Imaginez maintenant qu’il émette simultanément deux impulsions lumineuses identiques dans des directions opposées. L'objet restera en place, mais comme chaque impulsion entraîne une certaine quantité d'énergie, l'énergie contenue dans l'objet va diminuer.

Maintenant, écrit Einstein, à quoi ressemblerait ce processus pour un observateur en mouvement ? De son point de vue, l’objet va simplement continuer à se déplacer en ligne droite pendant que les deux impulsions s’envolent. Mais même si la vitesse des deux impulsions reste la même – la vitesse de la lumière – leurs énergies seront différentes. Une impulsion qui avance dans le sens du déplacement aura une énergie plus élevée qu’une impulsion qui se déplace dans la direction opposée.

En ajoutant un peu d'algèbre, Einstein a montré que pour que cela soit cohérent, l'objet doit non seulement perdre de l'énergie lors de l'envoi d'impulsions lumineuses, mais aussi de la masse. Ou bien la masse et l’énergie devraient être interchangeables. Einstein a écrit une équation qui les relie. Et c’est devenue l’équation la plus célèbre de l’histoire des sciences : E = mc 2.

La théorie de la relativité générale, ainsi que la théorie de la relativité restreinte, sont l'œuvre brillante d'Albert Einstein, qui, au début du XXe siècle, a changé la façon dont les physiciens regardaient le monde. Cent ans plus tard, la relativité générale est la théorie physique fondamentale et la plus importante au monde et, avec la mécanique quantique, elle prétend être l’une des deux pierres angulaires de la « théorie du tout ». La théorie de la relativité générale décrit la gravité comme une conséquence de la courbure de l'espace-temps (uni dans la relativité générale en un tout) sous l'influence de la masse. Grâce à la relativité générale, les scientifiques ont dérivé de nombreuses constantes, testé de nombreux phénomènes inexpliqués et découvert des choses comme les trous noirs, la matière noire et l'énergie noire, l'expansion de l'Univers, le Big Bang et bien plus encore. De plus, la Relativité Générale a opposé son veto au dépassement de la vitesse de la lumière, nous emprisonnant ainsi littéralement dans notre environnement (le système solaire), mais a laissé une faille sous la forme de trous de ver – de courts chemins possibles à travers l'espace-temps.

Un employé de l'Université RUDN et ses collègues brésiliens ont remis en question le concept d'utilisation de trous de ver stables comme portails vers différents points de l'espace-temps. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans Physical Review D. – un cliché plutôt éculé de la science-fiction. Un trou de ver, ou « trou de ver », est une sorte de tunnel qui relie des points distants de l'espace, voire deux univers, à travers la courbure de l'espace-temps.

Le physicien révolutionnaire a utilisé son imagination plutôt que des mathématiques complexes pour proposer son équation la plus célèbre et la plus élégante. Einstein est connu pour avoir prédit des phénomènes étranges mais vrais, tels que le vieillissement des astronautes dans l’espace plus lentement que les humains sur Terre et la forme des objets solides changeant à grande vitesse.

"ZS" n° 7-11/1939

Lev Landau

Cette année marque le 60e anniversaire du plus grand physicien de notre temps – Albert Einstein. Einstein est célèbre pour sa théorie de la relativité, qui a provoqué une véritable révolution scientifique. Dans nos idées sur le monde qui nous entoure, le principe de relativité, avancé par Einstein en 1905, a produit la même énorme révolution que les enseignements de Copernic ont produit à son époque.
Avant Copernic, les gens pensaient vivre dans un monde absolument calme, sur une Terre immobile – le centre de l’univers. Copernic a renversé ce préjugé séculaire en prouvant qu'en réalité la Terre n'est qu'un minuscule grain de sable dans un monde immense, en mouvement continu. C'était il y a quatre cents ans. Et maintenant, Einstein a montré qu'une chose aussi familière et apparemment tout à fait claire pour nous que le temps a aussi des propriétés complètement différentes de celles que nous lui attribuons habituellement...

Afin de comprendre pleinement cette théorie très complexe, il faut des connaissances approfondies en mathématiques et en physique. Cependant, toute personne cultivée peut et doit en avoir une idée générale. Nous essaierons de donner une idée générale du principe de relativité d’Einstein dans notre article, qui sera publié en partie dans trois numéros de « La connaissance, c’est le pouvoir ».

Les personnes suivantes ont participé au traitement de cet article destiné au jeune lecteur : E. Zelikovich, I. Nechaev et O. Pisarzhevsky.

La relativité à laquelle nous sommes habitués

Chaque affirmation a-t-elle un sens ?

Évidemment pas. Par exemple, si vous dites « bi-ba-boo », personne ne trouvera de sens à cette exclamation. Mais même des mots tout à fait significatifs, combinés selon toutes les règles de la grammaire, peuvent aussi produire des absurdités totales. Il est donc difficile d’attribuer un quelconque sens à l’expression « le fromage lyrique rit ».

Cependant, toutes les absurdités ne sont pas aussi évidentes : très souvent, une affirmation, à première vue tout à fait raisonnable, s'avère fondamentalement absurde. Dites-moi, par exemple, de quel côté de la place Pouchkine à Moscou se trouve le monument à Pouchkine : à droite ou à gauche ?

Il est impossible de répondre à cette question. Si vous allez de la Place Rouge à la place Maïakovski, le monument sera à gauche, et si vous allez dans la direction opposée, il sera à droite. Il est clair que sans indiquer la direction par rapport à laquelle on considère « droite » et « gauche », ces concepts n'ont aucun sens.

De la même manière, on ne peut pas dire qu'il fait désormais jour ou nuit sur le globe ? La réponse dépend de l'endroit où la question est posée. Quand il fait jour à Moscou, il fait nuit à Chicago. Par conséquent, la déclaration « il fait jour ou nuit » n’a aucun sens à moins qu’on indique à quel endroit du globe elle se réfère. Nous appellerons de tels concepts « relatifs ».

Les deux images présentées ici montrent un berger et une vache. Sur une image, le berger est plus grand que la vache, et sur l’autre, la vache est plus grande que le berger. Mais il est clair pour tout le monde qu’il n’y a pas ici de contradiction. Les dessins ont été réalisés par des observateurs qui se trouvaient à différents endroits : le premier se tenait plus près de la vache, le second plus près du berger. Dans les peintures, ce n’est pas la taille des objets qui est importante, mais l’angle sous lequel on verrait ces objets dans la réalité.

Il est clair que la « grandeur angulaire » d’un objet est relative : elle dépend de la distance qui le sépare de l’objet. Plus l'objet est proche, plus sa valeur angulaire est grande et plus il apparaît grand, et plus l'objet est éloigné, plus sa valeur angulaire est petite et plus il apparaît petit.

L'absolu s'est avéré relatif

Cependant, la relativité de nos concepts n’est pas toujours aussi évidente que dans les exemples donnés.

On parle souvent de « dessus » et de « dessous ». S’agit-il de concepts absolus ou relatifs ? Autrefois, quand on ne savait pas encore que la Terre était sphérique et qu'on l'imaginait comme une crêpe plate, on considérait comme allant de soi que les directions du « haut » et du « bas » étaient les mêmes partout dans le monde.

Mais on a découvert que la Terre est sphérique, et il s’est avéré que les directions verticales en différents points de la surface terrestre sont différentes.

Tout cela ne nous fait plus aucun doute désormais. Pendant ce temps, l’histoire montre qu’il n’était pas si facile de comprendre la relativité entre le « haut » et le « bas ». Les gens sont très enclins à attribuer une signification absolue à des concepts dont la relativité ne ressort pas clairement de l’expérience quotidienne. Rappelons-nous l'« objection » ridicule à la sphéricité de la Terre, qui connut un grand succès au Moyen Âge : de « l'autre côté » de la Terre, disent-ils, les arbres devraient pousser vers le bas, les gouttes de pluie devraient tomber vers le haut et les gens devraient pousser vers le haut. marcher la tête en bas.

Et en effet, si l’on considère comme absolue la direction de la verticale à Moscou, il s’avère qu’à Chicago les gens marchent à l’envers. Et du point de vue absolu des habitants de Chicago, les Moscovites marchent à l’envers. Mais en fait, la direction verticale n’est pas absolue, mais relative. Et partout sur Terre, même si elle est sphérique, les gens ne marchent que la tête en bas.

Et le mouvement est relatif

Imaginons deux voyageurs voyageant sur l'express Moscou-Vladivostok. Elles conviennent de se retrouver tous les jours au même endroit dans le wagon-restaurant et d'écrire des lettres à leurs maris. Les voyageurs sont convaincus qu'ils remplissent la condition : qu'ils se trouvent chaque jour au même endroit où ils se trouvaient hier. Cependant, leurs maris ne seront pas d'accord avec cela : ils argumenteront avec force que les voyageurs se rencontraient chaque jour dans un nouveau lieu, à mille kilomètres du précédent.

Qui a raison : les voyageurs ou leurs maris ?

Nous n’avons aucune raison de privilégier l’un ou l’autre : la notion de « même lieu » est relative. Concernant le train, les voyageurs se rencontraient effectivement « au même endroit » tout le temps, mais par rapport à la surface terrestre, le lieu de leur rendez-vous changeait constamment.

La position dans l’espace est donc une notion relative. Lorsque nous parlons de la position d'un corps, nous entendons toujours sa position par rapport aux autres corps. Ainsi, si l'on nous demandait d'indiquer où se trouve tel ou tel organisme, sans mentionner d'autres organismes dans la réponse, il faudrait considérer une telle exigence comme totalement impossible.

Il s’ensuit que le mouvement, ou le mouvement, des corps est également relatif. Et quand nous disons « un corps bouge », cela signifie simplement qu’il change de position par rapport à d’autres corps.

Imaginons que nous observions le mouvement d'un corps à partir de différents points. Convenons d’appeler ces points des « laboratoires ». Nos laboratoires imaginaires peuvent être n'importe quoi dans le monde : des maisons, des villes, des trains, des avions, la Terre, d'autres planètes, le Soleil et même des étoiles.

Que nous semblera la trajectoire, c'est-à-dire le chemin d'un corps en mouvement ?

Tout dépend du laboratoire à partir duquel nous l'observons. Disons qu'un pilote jette une cargaison hors d'un avion. Du point de vue du pilote, la charge descend verticalement en ligne droite, et du point de vue d'un observateur au sol, la charge qui tombe décrit une ligne courbe - une parabole. Quelle trajectoire suit réellement la charge ?

Cette question a aussi peu de sens que la question de savoir quelle photographie d'une personne est « réelle » : celle sur laquelle elle est prise de face, ou celle sur laquelle elle est prise de dos ?

La forme géométrique de la courbe le long de laquelle se déplace un corps a le même caractère relatif qu'une photographie d'une personne. En photographiant une personne de face et de dos, nous obtiendrons des images différentes, et chacune d'elles sera tout à fait correcte. De la même manière, lorsqu’on observe le mouvement d’un corps depuis différents laboratoires, on voit différentes trajectoires, et toutes ces trajectoires sont « réelles ».

Mais auront-ils tous la même valeur pour nous ? Est-il encore possible de trouver un tel point d’observation, un tel laboratoire, d’où étudier au mieux les lois qui régissent le mouvement d’un corps ?

Nous venons de comparer les trajectoires d'un corps en mouvement avec des photographies d'une personne - les deux peuvent être très diverses, tout dépend de l'endroit où l'on observe le mouvement du corps ou prend la photo. Mais vous savez qu’en photographie tous les points de vue ne sont pas égaux. Par exemple, si vous avez besoin d’une photo pour vous identifier, vous souhaiterez naturellement être photographié de face plutôt que de dos. De même, en mécanique, c'est-à-dire lorsqu'on étudie les lois du mouvement des corps, il faut choisir celle qui convient le mieux parmi tous les points d'observation possibles.

À la recherche de la paix

Nous savons que le mouvement des corps est influencé par des influences extérieures, que nous appelons forces. Mais nous pouvons imaginer un corps libre de l’influence de toute force. Admettons une fois pour toutes qu'un corps sur lequel aucune force n'agit est au repos. Or, après avoir introduit la notion de repos, il semble que nous disposions déjà d'un solide appui dans l'étude du mouvement des corps. En fait, ce corps, sur lequel aucune force n’agit et que nous avons convenu de considérer comme au repos, peut nous servir de guide, d’« étoile directrice » dans l’étude du mouvement de tous les autres corps.

Imaginons que nous ayons éloigné un corps de tous les autres corps si loin qu'aucune force n'agira sur lui. Et nous pourrons alors établir comment les phénomènes physiques devraient se produire sur un tel corps au repos. Autrement dit, on retrouve les lois de la mécanique qui prévalent dans ce laboratoire imaginaire « au repos ». Et en les comparant avec ce que nous observons dans d’autres laboratoires réels, nous pourrons juger des véritables propriétés du mouvement dans tous les cas.

Il semblerait donc que tout se passe parfaitement : nous avons trouvé un point fort - la « paix », bien que conditionnelle, et maintenant le mouvement a perdu pour nous sa relativité.

Mais en réalité, cette « paix » illusoire obtenue avec tant de difficulté ne sera pas absolue.

Imaginez des observateurs vivant sur un globe solitaire, perdus dans les vastes étendues de l'univers. Ils ne ressentent l'influence d'aucune force étrangère et doivent donc être convaincus que le ballon sur lequel ils vivent est dans une immobilité totale, dans une paix absolue et immuable.

Soudain, ils remarquent au loin une autre boule similaire, sur laquelle se trouvent les mêmes observateurs. Cette seconde balle fonce à grande vitesse, droite et régulière, vers la première. Les observateurs sur la première balle n'ont aucun doute sur le fait qu'ils sont immobiles et que seule la deuxième balle bouge. Mais les habitants de cette deuxième boule croient aussi en leur immobilité et sont fermement convaincus que cette première boule « extraterrestre » se dirige vers eux.

Lequel a raison ? Le débat sur cette question n’a aucun sens, puisque l’état de mouvement rectiligne et uniforme est totalement impossible à distinguer de l’état de repos.

Pour en être convaincus, vous et moi n’avons même pas besoin de grimper dans les profondeurs infinies de l’univers. Montez à bord d'un bateau à vapeur situé à l'embarcadère, enfermez-vous dans la cabine et fermez soigneusement les fenêtres. Dans de telles conditions, vous ne saurez jamais si vous êtes immobile ou si vous vous déplacez droit et uniformément. Tous les corps dans la cabine se comporteront exactement de la même manière dans les deux cas : la surface de l'eau dans le verre restera tout le temps calme ; une balle lancée verticalement vers le haut tombera également verticalement vers le bas ; Le pendule de l'horloge oscillera de la même manière que sur le mur de votre appartement.

Votre bateau à vapeur peut voyager à n'importe quelle vitesse, mais les mêmes lois du mouvement y prévaudront comme sur un bateau à vapeur complètement immobile. Ce n'est qu'au moment du ralentissement ou de l'accélération que vous pouvez détecter son mouvement ; quand il va droit et régulièrement, tout s'y écoule de la même manière que sur un navire à l'arrêt.

Ainsi, nous n'avons trouvé le repos absolu nulle part, mais avons découvert qu'il peut y avoir une infinité de « repos » dans le monde, se déplaçant les uns par rapport aux autres de manière uniforme et en ligne droite. Par conséquent, lorsque nous parlons du mouvement d’un corps, nous devons toujours indiquer par rapport à quel type de « repos » il se déplace. Cette position est appelée en mécanique la « loi de la relativité du mouvement ». Elle a été proposée il y a trois cents ans par Galilée.

Mais si le mouvement et le repos sont relatifs, alors la vitesse doit évidemment être relative. C’est vraiment comme ça. Disons, par exemple, que vous courez sur le pont d'un bateau à vapeur à une vitesse de 5 mètres par seconde. Si le navire passe dans la même direction à 10 mètres par seconde, alors par rapport au rivage, votre vitesse sera déjà de 15 mètres par seconde.

Par conséquent, l’affirmation : « un corps se déplace à telle ou telle vitesse », sans indiquer par rapport à quoi la vitesse est mesurée, n’a pas de sens. Lors de la détermination de la vitesse d’un corps en mouvement à partir de différents points, nous devrions obtenir des résultats différents.

Tout ce dont nous avons parlé jusqu’à présent était connu bien avant les travaux d’Einstein. La relativité du mouvement, du repos et de la vitesse a été établie par les grands créateurs de la mécanique - Galilée et Newton. Les lois du mouvement qu’il découvrit constituèrent la base de la physique et contribuèrent grandement, pendant près de trois siècles, au développement de toutes les sciences naturelles. D'innombrables nouveaux faits et lois ont été découverts par les chercheurs, et tous ont confirmé à maintes reprises l'exactitude des vues de Galilée et de Newton. Ces points de vue ont également été confirmés dans la mécanique pratique - dans la conception et le fonctionnement de toutes sortes de machines et d'appareils.

Cela s'est poursuivi jusqu'à la fin du XIXe siècle, lorsque de nouveaux phénomènes ont été découverts, qui se sont révélés en contradiction décisive avec les lois de la mécanique classique.

En 1881, le physicien américain Michaelson entreprend une série d’expériences pour mesurer la vitesse de la lumière. Le résultat inattendu de ces expériences a semé la confusion parmi les physiciens ; c'était si étonnant et mystérieux qu'il a dérouté les plus grands scientifiques du monde.

Propriétés remarquables de la lumière

Peut-être avez-vous observé un phénomène aussi intéressant.

Quelque part au loin, dans un champ, sur une voie ferrée ou sur un chantier de construction, un marteau frappe. Vous voyez avec quelle force il tombe sur l'enclume ou le rail en acier. Cependant, le bruit de l’impact est totalement inaudible. On dirait que le marteau a atterri sur quelque chose de très mou. Mais maintenant, il ressuscite. Et au moment où il est déjà assez haut dans les airs, vous entendez un coup sec et lointain.

Il n'est pas difficile de comprendre pourquoi cela se produit. Dans des conditions normales, le son se propage dans l'air à une vitesse d'environ 340 mètres par seconde, nous entendons donc le coup de marteau non pas au moment où il se produit, mais seulement après que le son qui en sort a eu le temps d'atteindre notre oreille.

Voici un autre exemple, plus frappant. La foudre et le tonnerre se produisent simultanément, mais il semble souvent que les éclairs éclatent silencieusement, puisque le grondement du tonnerre n'atteint nos oreilles qu'après quelques secondes. Si nous les entendons avec un retard, par exemple de 10 secondes, cela signifie que l'éclair est à 340 x 10 = 3 400 mètres de nous, soit 3,4 kilomètres.

Dans les deux cas, nous parlons de deux moments : le moment où un événement s'est réellement produit et le moment où l'écho de cet événement est parvenu à notre oreille. Mais comment savoir quand exactement l’événement s’est réellement produit ?

On le voit : on voit le marteau tomber, l'éclair clignoter. Dans ce cas, nous supposons que l’événement se produit réellement au moment même où nous le voyons. Mais est-ce vraiment le cas ?

Non, pas comme ça. Après tout, nous ne percevons pas directement les événements. La lumière intervient dans les phénomènes que nous observons à l'aide de la vision. Et la lumière ne voyage pas instantanément dans l’espace : comme le son, les rayons lumineux mettent du temps à parcourir la distance.

Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse d'environ 300 000 kilomètres par seconde. Cela signifie : si une lumière clignote à une distance de 300 000 kilomètres de vous, vous ne remarquerez peut-être pas son éclair immédiatement, mais seulement une seconde plus tard.

En une seconde, les rayons lumineux auraient le temps de faire sept fois le tour du globe le long de l’équateur. Comparées à une vitesse aussi colossale, les distances terrestres semblent insignifiantes, on peut donc pratiquement supposer que nous voyons tous les phénomènes se produire sur Terre au même moment où ils se produisent.

La vitesse incroyablement énorme de la lumière peut paraître surprenante. Mais ce qui est bien plus surprenant, c'est autre chose : le fait que la vitesse de la lumière soit étonnamment constante. Voyons quelle est cette cohérence.

On sait que le mouvement des corps peut être artificiellement ralenti et accéléré. Si, par exemple, vous placez une boîte de sable sur la trajectoire d’une balle, la balle dans la boîte perdra un peu de sa vitesse. La vitesse perdue ne sera pas restaurée : après avoir quitté la boîte, la balle volera plus loin non pas à la même vitesse, mais à une vitesse réduite.

Les rayons lumineux se comportent différemment. Dans l'air, ils se propagent plus lentement que dans le vide, dans l'eau - plus lentement que dans l'air et dans le verre - encore plus lentement. Cependant, après avoir laissé toute substance (transparente, bien sûr) dans le vide, la lumière continue de se propager à sa vitesse précédente - 300 000 kilomètres par seconde. Par ailleurs, la vitesse de la lumière ne dépend pas des propriétés de sa source : il en est absolument de même pour les rayons du Soleil, un spot et une bougie. De plus, peu importe que la source lumineuse elle-même bouge ou non - cela n'affecte en rien la vitesse de la lumière.

Pour bien comprendre le sens de ce fait, comparons encore une fois la propagation de la lumière avec le mouvement des corps ordinaires. Imaginez que vous libérez un jet d'eau d'une lance à incendie dans la rue à une vitesse de 5 mètres par seconde. Cela signifie que chaque particule d'eau passe par rapport à la rue à une vitesse de 5 mètres par seconde. Mais si vous placez une lance d'incendie sur une voiture passant dans la direction du jet à une vitesse de 10 mètres par seconde, alors la vitesse du jet par rapport à la rue sera déjà de 15 mètres par seconde : les particules d'eau reçoivent de la vitesse non seulement par la lance à incendie, mais aussi par la voiture en mouvement, qui transporte la lance à incendie avec le jet vers l'avant.

En comparant la source lumineuse avec une lance à incendie et ses rayons avec un jet d'eau, nous verrons une différence significative. Pour les rayons de lumière, peu importe la source avec laquelle ils sont entrés dans le vide et ce qui leur est arrivé avant d'entrer dans l'espace vide. Puisqu'ils s'y trouvent, la vitesse de leur propagation est égale à la même valeur - 300 000 kilomètres par seconde, et que la source lumineuse soit en mouvement ou non.

Voyons comment ces propriétés spéciales de la lumière sont cohérentes avec la loi de la relativité du mouvement, évoquée dans la première partie de l'article. Pour ce faire, essayons de résoudre le problème de l'addition et de la soustraction de vitesses, et par souci de simplicité, nous supposerons que tous les phénomènes que nous imaginons se produisent dans le vide, où la vitesse de la lumière est de 300 000 kilomètres.

Placer une source de lumière sur un bateau à vapeur en mouvement, au milieu même de celui-ci, et un observateur à chaque extrémité du bateau à vapeur. Ils mesurent tous deux la vitesse de la lumière. Quels seront les résultats de leurs travaux ?

Étant donné que les rayons se propagent dans toutes les directions et que les deux observateurs se déplacent avec le bateau à vapeur dans une direction, l'image suivante sera obtenue : l'observateur situé à l'arrière du bateau à vapeur se déplace vers les rayons, et celui de l'avant s'en éloigne. tout le temps.

Par conséquent, le premier observateur doit constater que la vitesse de la lumière est égale à 300 000 kilomètres plus la vitesse du bateau à vapeur, et le second à 300 000 kilomètres moins la vitesse du bateau à vapeur. Et si nous imaginons un instant que le navire parcourt une distance monstrueuse de 200 000 kilomètres par seconde, alors la vitesse de la lumière trouvée par le premier observateur sera de 500 000 kilomètres et par le second de 100 000 kilomètres par seconde. Sur un navire à l'arrêt, les deux observateurs obtiendraient le même résultat : 300 000 kilomètres par seconde.

Ainsi, du point de vue des observateurs, sur notre navire en mouvement, la lumière semble se propager dans une direction 1 2/3 fois plus vite et dans l'autre trois fois plus lentement que sur un navire stationnaire. En effectuant des opérations arithmétiques simples, ils pourront établir la vitesse absolue du navire.

De la même manière, on peut établir la vitesse absolue de tout autre corps en mouvement : pour ce faire, il suffit de placer dessus une source de lumière et de mesurer la vitesse de propagation des rayons lumineux depuis différents points du corps.

En d’autres termes, nous nous sommes retrouvés soudainement en mesure de déterminer la vitesse, et donc le mouvement d’un corps, indépendamment de tous les autres corps. Mais s'il y a une vitesse absolue, alors il y a aussi un seul repos absolu, à savoir : tout laboratoire dans lequel les observateurs, mesurant la vitesse de la lumière dans n'importe quelle direction, obtiennent la même valeur - 300 000 kilomètres par seconde, sera absolument au repos. .

Il n’est pas difficile de constater que tout cela contredit fortement les conclusions auxquelles nous étions parvenus dans le numéro précédent de la revue. En fait : nous avons parlé du fait que sur un corps se déplaçant uniformément en ligne droite, tout se déroule de la même manière que sur un corps immobile. Par conséquent, que l'on tire par exemple sur un navire dans le sens de son mouvement ou contre son mouvement, la vitesse de la balle par rapport au navire restera la même et sera égale à la vitesse sur un navire à l'arrêt. En même temps, nous sommes convaincus que le mouvement, la vitesse et le repos sont des concepts relatifs : le mouvement, la vitesse et le repos absolus n'existent pas. Et maintenant, il s'avère soudain que les observations des propriétés de la lumière renversent toutes ces conclusions et contredisent la loi de la nature découverte par Galilée - la loi de la relativité du mouvement.

Mais c’est là une de ses lois fondamentales : elle prévaut dans le monde entier ; sa justice a été confirmée par l'expérience d'innombrables fois, et elle est confirmée partout et à chaque minute jusqu'à ce jour ; s’il cessait soudainement d’être juste, des bouleversements inimaginables engloutiraient l’univers. Mais non seulement la lumière ne lui obéit pas, mais elle la réfute même !

L'expérience de Michaelson

Que faire de cette contradiction ? Avant d'exprimer des considérations à ce sujet, prêtons attention à la circonstance suivante : nous avons établi que les propriétés de la lumière contredisent la loi de relativité du mouvement uniquement par le raisonnement. Il est vrai que c’étaient des arguments très convaincants. Mais, en nous limitant au seul raisonnement, nous serions comme les philosophes anciens qui essayaient de découvrir les lois de la nature non pas à l’aide de l’expérience et de l’observation, mais uniquement sur la base de déductions. Dans ce cas, le danger surgit inévitablement que l'image du monde ainsi créée, malgré tous ses mérites, s'avère avoir très peu de ressemblance avec le monde réel qui nous entoure.

Le juge suprême de toute théorie physique est toujours l’expérience et, par conséquent, sans nous limiter à raisonner sur la façon dont la lumière devrait se propager sur un corps en mouvement, nous devrions nous tourner vers des expériences qui montreront comment elle se propage réellement dans ces conditions.

Il faut cependant garder à l’esprit que la mise en place de telles expériences est difficile pour une raison très simple : il est impossible de trouver en pratique un corps qui se déplacerait à une vitesse proportionnelle à la vitesse colossale de la lumière. Après tout, un navire tel que celui que nous avons utilisé dans notre discussion n’existe bien sûr pas et ne peut pas exister.

Afin de pouvoir déterminer un changement insignifiant de la vitesse de la lumière sur des corps en mouvement relativement lents accessibles à nous, il a été nécessaire de créer des instruments de mesure d'une précision extrêmement élevée. Et ce n’est que lorsque de tels dispositifs ont pu être fabriqués qu’il a été possible de commencer à clarifier la contradiction entre les propriétés de la lumière et la loi de la relativité du mouvement.

Une telle expérience fut entreprise en 1881 par l’un des plus grands expérimentateurs des temps modernes, le physicien américain Michaelson.

Michaelson a utilisé... le globe comme un corps en mouvement. En effet, la Terre est évidemment un corps en mouvement : elle tourne autour du Soleil et, de plus, à une vitesse assez « respectable » pour nos conditions - 30 kilomètres par seconde. Par conséquent, lorsque nous étudions la propagation de la lumière sur Terre, nous étudions en réalité la propagation de la lumière dans un laboratoire en mouvement.

Michaelson a mesuré la vitesse de la lumière sur Terre dans diverses directions avec une très grande précision, c'est-à-dire qu'il a pratiquement accompli ce que nous avons fait mentalement avec vous sur un bateau à vapeur imaginaire en mouvement. Pour saisir la petite différence de 30 kilomètres par rapport au nombre énorme de 300 000 kilomètres, Michaelson a dû utiliser des techniques expérimentales très complexes et montrer toute son énorme ingéniosité. La précision de l'expérience était si grande que Michaelson aurait pu détecter une différence de vitesse beaucoup plus petite que celle qu'il souhaitait détecter.

De la poêle à frire au feu

Le résultat de l’expérience semblait évident d’avance. Connaissant les propriétés de la lumière, il était possible de prévoir que la vitesse de la lumière mesurée dans différentes directions serait différente. Mais peut-être pensez-vous que le résultat de l’expérience s’est réellement avéré être celui-ci ?

Rien de tel ! L'expérience de Michaelson a donné des résultats complètement inattendus. Au fil des années, cette théorie a été répétée à maintes reprises dans diverses conditions, mais elle aboutit toujours à la même conclusion étonnante.

Sur une Terre manifestement en mouvement, la vitesse de la lumière mesurée dans n’importe quelle direction s’avère être exactement la même.

Cela signifie que la lumière ne fait pas exception. Il obéit à la même loi qu'une balle sur un navire en mouvement : la loi de la relativité de Galilée. Il n’a jamais été possible de détecter le mouvement « absolu » de la Terre. Cela n’existe pas, comme cela devrait être selon la loi de la relativité.

La contradiction désagréable à laquelle la science était confrontée a été résolue. Mais de nouvelles contradictions sont apparues ! Les physiciens sont tombés de la poêle dans le feu.

Pour comprendre les nouvelles contradictions auxquelles l’expérience de Michaelson a conduit, regardons nos recherches dans l’ordre.

Nous avons d’abord établi que le mouvement et le repos absolus n’existent pas ; La loi de la relativité de Galilée en parle. Il s’est ensuite avéré que les propriétés particulières de la lumière contredisent la loi de la relativité. Il s'ensuit que le mouvement et le repos absolus existent toujours. Pour tester cela, Michaelson a réalisé une expérience. L’expérience a montré le contraire : il n’y a pas de contradiction – et la lumière obéit à la loi de la relativité. Par conséquent, le mouvement et le repos absolus n’existent plus. D'un autre côté, les conclusions de l'expérience de Michaelson s'appliquent évidemment à tout corps en mouvement, pas seulement à la Terre ; par conséquent, la vitesse de la lumière est la même dans tous les laboratoires, quel que soit leur propre mouvement, et, par conséquent, la vitesse de la lumière n'est toujours pas une quantité relative, mais une quantité absolue.

Cela s’est avéré être un cercle vicieux. Les plus grands physiciens du monde s’y creusent la tête depuis des années. Diverses théories ont été proposées, dont les plus incroyables et les plus fantastiques. Mais rien n’y faisait : chaque nouvelle hypothèse provoquait immédiatement de nouvelles contradictions. Le monde scientifique était confronté à l’un des plus grands mystères.

Le plus mystérieux et le plus étrange dans tout cela était que la science avait affaire à des faits parfaitement clairs et fermement établis : la loi de la relativité, les propriétés connues de la lumière et l’expérience de Michaelson. Et ils semblaient conduire à une absurdité totale.

Contradiction des vérités... Mais les vérités ne peuvent pas se contredire, puisqu'il ne peut y avoir qu'une seule vérité. Il doit donc y avoir une erreur dans notre compréhension des faits. Mais où? Qu'est-ce que c'est?

Pendant 24 années entières – de 1881 à 1905 – aucune réponse n’a été trouvée à ces questions. Mais en 1905, le plus grand physicien de notre époque, Albert Einstein, a donné une brillante explication au mystère. Venant d’une direction tout à fait inattendue, il a donné aux physiciens l’impression d’une bombe qui explose.

L'explication d'Einstein est si différente de tout concept auquel l'humanité est habituée depuis des millénaires qu'elle semble exceptionnellement incroyable. Cependant, malgré cela, cela s'est avéré sans aucun doute exact : depuis 34 ans maintenant, les expériences en laboratoire et les observations de divers phénomènes physiques dans le monde confirment de plus en plus sa validité.

Quand les portes s'ouvrent

Pour comprendre l'explication d'Einstein, il faut d'abord se familiariser avec une conséquence de l'expérience de Michaelson. Voyons cela tout de suite avec un exemple. Utilisons à nouveau le fantastique bateau à vapeur pour cela.

Imaginons un navire de 5 400 000 kilomètres de long. Laissez-le se déplacer droit et uniformément à une vitesse fabuleuse de 240 000 kilomètres par seconde. À un moment donné, une lumière s’allume au milieu du bateau à vapeur. Il y a des portes à la proue et à la poupe du navire. Ils sont conçus de telle manière que dès que la lumière d’une ampoule tombe dessus, ils s’ouvrent automatiquement. L'ampoule s'est allumée. Quand exactement les portes s’ouvriront-elles ?

Pour répondre à cette question, rappelons les résultats de l'expérience de Michaelson. L'expérience de Michaelson a montré que, par rapport aux observateurs sur une Terre en mouvement, la lumière se déplace dans toutes les directions à la même vitesse de 300 000 kilomètres par seconde. La même chose se produira naturellement sur un navire en mouvement. Mais la distance entre l'ampoule et chaque extrémité du navire est de 2 700 000 kilomètres, et 2 700 000 : 300 000 = 9. Cela signifie que la lumière de l'ampoule atteindra chaque porte en 9 secondes. De cette façon, les deux portes s'ouvriront en même temps.

C'est ainsi que la situation se présentera à l'observateur à bord du navire. Que verront les gens sur le quai devant lequel le navire passe ?

Étant donné que la vitesse de la lumière ne dépend pas du mouvement de la source lumineuse, elle est alors égale à 300 000 kilomètres par seconde par rapport à la jetée, malgré le fait que la source lumineuse se trouve sur un navire en mouvement. Mais, du point de vue d'un observateur sur le quai, la porte à l'arrière du navire se dirige vers le faisceau lumineux à la vitesse du navire. Quand la porte rencontrera-t-elle la poutre ?

Nous avons ici affaire à un problème similaire à celui de deux voyageurs voyageant l'un vers l'autre. Pour connaître l’heure du rendez-vous, il faut diviser la distance entre les voyageurs par la somme de leurs vitesses. Faisons la même chose ici. La distance entre l'ampoule et la porte est de 2 700 000 kilomètres, la vitesse de la porte (c'est-à-dire le bateau à vapeur) est de 240 000 kilomètres par seconde et la vitesse de la lumière est de 300 000 kilomètres par seconde.

Par conséquent, la porte arrière s'ouvrira par

2700.000/(300000 + 240000)=5 secondes

Après que la lumière s'allume. Et l'avant ?

La porte d'entrée, du point de vue d'un observateur sur la jetée, le faisceau lumineux doit rattraper son retard, car il se déplace avec le bateau à vapeur dans la même direction que le faisceau lumineux. Nous avons donc ici un problème avec les voyageurs, dont l'un rattrape l'autre. On divisera la distance par la différence de vitesse :

2700.000/(300000 - 240000)=45 secondes

Ainsi, la première porte s'ouvrira 5 secondes après l'allumage de la lumière, et la deuxième porte s'ouvrira 45 secondes plus tard. Les portes ne s’ouvriront donc pas en même temps. C'est ce que verront les gens sur la jetée ! L’image est la plus étonnante de tout ce qui a été dit jusqu’à présent.

Il s'avère que les mêmes événements - l'ouverture des portes avant et arrière - se révéleront simultanés pour les personnes à bord du navire, mais pas simultanés pour les personnes sur le quai, mais séparés par un intervalle de temps de 40 secondes.

Cela ne semble-t-il pas complètement absurde ? Cela ne ressemble-t-il pas à une déclaration absurde tirée d'une blague - selon laquelle la longueur d'un crocodile de la queue à la tête est de 2 mètres et de la tête à la queue de 1 mètre ?

Et attention, les gens sur le quai ne penseront pas que les portes ne se sont pas ouvertes en même temps : pour eux, cela se produira en même temps. Après tout, nous avons calculé l'heure à laquelle chacune des portes s'est ouverte. Dans le même temps, nous avons constaté que la deuxième porte s’ouvrait en réalité 40 secondes plus tard que la première.

Cependant, les passagers du navire ont également établi à juste titre que les deux portes s'ouvraient en même temps. Et cela a été montré arithmétiquement. Ce qui se produit? Arithmétique contre arithmétique ?!

Non, l’arithmétique n’est pas à blâmer ici. Toutes les contradictions que nous avons rencontrées ici résident dans nos conceptions erronées du temps : le temps s’est avéré n’être pas du tout ce que l’humanité croyait qu’il était jusqu’à présent.

Einstein a reconsidéré ces concepts millénaires. Dans le même temps, il fit une grande découverte grâce à laquelle son nom devint immortel.

Le temps est relatif

Dans le numéro précédent, nous avons montré quelles conclusions extraordinaires les physiciens devaient tirer de l'expérience de Michaelson. Nous avons pris l'exemple d'un bateau à vapeur imaginaire sur lequel deux portes s'ouvrent à un signal lumineux, et nous avons établi un fait frappant : du point de vue des observateurs à bord du navire, les portes s'ouvrent au même moment, mais du point de vue de vue des observateurs sur la jetée, elles s'ouvrent à différents moments.

Ce à quoi une personne n'est pas habituée lui semble incroyable. L'incident avec les portes du navire semble tout à fait incroyable, car nous ne nous sommes jamais déplacés à une vitesse approchant, même de loin, le nombre fabuleux de 240 000 kilomètres par seconde. Mais il faut tenir compte du fait que les phénomènes qui se produisent à de telles vitesses peuvent être très différents de ceux auxquels nous sommes habitués dans la vie de tous les jours.

Bien sûr, en réalité, il n’existe pas de bateaux à vapeur qui se déplacent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Et en fait, personne n’a jamais observé un tel cas avec des portes telles que décrites dans notre exemple. Mais des phénomènes similaires peuvent certainement être détectés grâce à une technologie expérimentale moderne et hautement développée. Rappelons que l’exemple des portes qui s’ouvrent ne repose pas sur un raisonnement abstrait, mais uniquement sur des faits solidement établis et obtenus par l’expérience : l’expérience de Michaelson et de nombreuses années d’observations sur les propriétés de la lumière.

C'est donc l'expérience qui nous a conduit à la conclusion incontestable que la notion de simultanéité de deux événements n'est pas absolue. Auparavant, nous pensions que si deux événements se produisaient simultanément dans un laboratoire, alors dans tout autre laboratoire, ils seraient simultanés. Nous avons maintenant découvert que cela n'est vrai que pour les laboratoires au repos les uns par rapport aux autres. Dans le cas contraire, des événements simultanés pour un laboratoire se produiront à des moments différents pour un autre.

Il s’ensuit que la notion de simultanéité est une notion relative. Il n'acquiert de sens que lorsqu'il est indiqué comment se déplace le laboratoire, à partir duquel les événements sont observés.

Au début de l'article, nous parlions de deux voyageurs qui venaient chaque jour au wagon-restaurant express. Les voyageurs étaient sûrs de se rencontrer tout le temps au même endroit. Leurs maris affirmaient qu'ils se rencontraient chaque jour dans un nouvel endroit, à mille kilomètres du précédent.

Tous deux avaient raison : par rapport au train, les voyageurs se rencontraient en fait au même endroit, mais par rapport à la voie ferrée - à des endroits différents. Cet exemple nous a montré que le concept d’espace n’est pas un concept absolu, mais relatif.

Les deux exemples – sur la rencontre avec des voyageurs et l’ouverture des portes d’un navire – sont similaires. Dans les deux cas, nous parlons de relativité, et on retrouve même les mêmes mots : « dans le même » et « dans le différent ». Seul le premier exemple parle de lieux, c'est-à-dire d'espace, et le deuxième exemple parle de moments, c'est-à-dire de temps. Qu’est-ce qui en découle ?

Le fait que la notion de temps est aussi relative que la notion d’espace.

Pour enfin nous en assurer, modifions un peu l’exemple avec le bateau à vapeur. Supposons que le mécanisme d'une des portes soit défectueux. Que ce dysfonctionnement fasse que les personnes à bord du navire remarquent que la porte avant s'est ouverte 15 secondes avant la porte arrière. Que verront les gens sur la jetée ?

Si dans la première version de l'exemple, la porte d'entrée s'est ouverte pour eux 40 secondes plus tard que la porte arrière, alors dans la deuxième version, cela ne se produira que 40 - 15 = 25 secondes plus tard. Il s'avère donc que pour les personnes à bord du navire, la porte d'entrée s'est ouverte plus tôt que la porte arrière, et pour les personnes sur le quai - plus tard.

Ainsi, ce qui s’est produit plus tôt pour un laboratoire s’est produit plus tard pour un autre. Il ressort clairement de cela que le concept de temps lui-même est un concept relatif.

Cette découverte a été faite en 1905 par le physicien Albert Einstein, vingt-six ans. Avant cela, l’homme imaginait le temps comme absolu – le même partout dans le monde, indépendant de tout laboratoire. Ainsi, les gens considéraient autrefois que les directions du haut et du bas étaient les mêmes partout dans le monde.

Et maintenant, le temps a subi le sort de l’espace. Il s'est avéré que l'expression « en même temps » n'a pas plus de sens que l'expression « au même endroit » si l'on ne précise pas à quel laboratoire elles font référence.

Peut-être que quelqu'un a encore une question : eh bien, en fait, quel que soit le laboratoire, deux événements sont-ils simultanés ou non ? Penser à cette question est tout aussi absurde que réfléchir à la question de savoir où, en réalité, quels que soient les laboratoires, se situent les premiers et les derniers rangs dans le monde ?

La découverte de la relativité du temps a permis, comme vous le verrez dans ce qui suit, de résoudre toutes les contradictions auxquelles l’expérience de Michaelson a conduit la physique. Cette découverte fut l’une des plus grandes victoires de la raison sur les idées figées qui s’étaient développées au fil de milliers d’années. Après avoir étonné le monde scientifique par sa nature extraordinaire, elle a produit une profonde révolution dans la vision de l’humanité sur la nature. Par son caractère et sa signification, elle ne peut être comparée qu'à la révolution provoquée par la découverte de la sphéricité de la Terre ou la découverte de son mouvement autour du Soleil.

Ainsi, Einstein, avec Copernic et Newton, ont ouvert des voies complètement nouvelles pour la science. Et ce n’est pas sans raison que la découverte de ce scientifique alors encore jeune lui a rapidement valu la renommée du plus grand physicien de notre siècle.

La doctrine de la relativité du temps est généralement appelée « principe de relativité d’Einstein » ou simplement « principe de relativité ». Il ne faut pas le confondre avec la loi, ou principe, de la relativité du mouvement, dont nous avons parlé plus haut, c'est-à-dire avec le « principe classique de la relativité » ou le « principe de relativité de Galilée-Newton ».

La vitesse a une limite

Il est impossible de parler dans un article de journal de ces énormes changements et de toutes les nouveautés que le principe de relativité a apportées à la science. De plus, pour comprendre tout cela, il faut avoir une bonne connaissance de la physique et des mathématiques supérieures.

Le but de notre article est d’expliquer uniquement les fondements mêmes du principe d’Einstein et les conséquences les plus importantes qui découlent de la relativité du temps. Cela seul, comme vous l’avez vu, est loin d’être une tâche facile. Notons que le principe de relativité est l'une des questions scientifiques les plus difficiles, et qu'il est généralement impossible de l'approfondir suffisamment sans l'aide des mathématiques.

Examinons d’abord une conséquence très importante de la relativité du temps concernant la vitesse.

Comme vous le savez, la vitesse des locomotives à vapeur, des voitures et des avions n'a cessé d'augmenter depuis leur invention jusqu'à aujourd'hui. Elle a désormais atteint des niveaux qui auraient semblé incroyables il y a seulement quelques décennies. Cela va continuer à augmenter.

Des vitesses beaucoup plus élevées sont également connues en technologie. Il s’agit avant tout de la vitesse des balles et des obus d’artillerie. La vitesse de vol des balles et des obus, grâce aux améliorations techniques continues, a également augmenté d'année en année et continuera d'augmenter.

Mais la vitesse la plus élevée utilisée dans la technologie est la vitesse de transmission du signal utilisant les rayons lumineux, le courant électrique et les ondes radio. Dans les trois cas, elle est approximativement égale à la même valeur - 300 000 kilomètres par seconde.

On pourrait penser qu’avec le développement de la technologie, avec la découverte de nouveaux rayons, cette vitesse sera dépassée ; En augmentant toujours les vitesses dont nous disposons, nous pourrons éventuellement nous rapprocher autant que nous le souhaitons de l'idéal de transmission instantanée de signaux ou d'efforts sur n'importe quelle distance.

L'expérience de Michaelson montre cependant que cet idéal est inaccessible. En effet, avec une vitesse de transmission infiniment élevée, les signaux provenant de deux événements nous parviendraient instantanément dans toutes les conditions ; et si dans un laboratoire deux événements se produisaient simultanément, alors dans tous les autres laboratoires, ils seraient également observés simultanément - au même moment où ils se produisaient. Et cela signifierait que la « simultanéité » deviendrait absolue, totalement indépendante du mouvement des laboratoires. Mais le caractère absolu du temps, comme nous l'avons vu, est réfuté par l'expérience de Michaelson. La transmission des signaux ou des efforts ne peut donc pas être instantanée.

En d’autres termes, la vitesse de toute transmission ne peut pas être infiniment grande. Il existe une certaine limite de vitesse – une vitesse maximale qui ne peut en aucun cas être dépassée.

Il est facile de vérifier que la vitesse maximale coïncide avec la vitesse de la lumière. En effet, selon le principe de relativité de Galilée-Newton, les lois de la nature sont les mêmes dans tous les laboratoires se déplaçant les uns par rapport aux autres de manière rectiligne et uniforme. Cela signifie que pour tous ces laboratoires, la vitesse maximale doit être la même. Mais quelle vitesse reste constante dans tous les laboratoires ? Comme nous l’avons vu, c’est la vitesse de la lumière qui a une constance si étonnante, et elle seule ! Il s’ensuit que la vitesse de la lumière n’est pas seulement la vitesse de propagation d’une action (même très importante) dans le monde : c’est en même temps la vitesse maximale qui existe dans la nature.

La découverte de l’existence d’une vitesse maximale dans la nature fut aussi l’une des plus grandes victoires de la pensée humaine. Un physicien du siècle dernier n’aurait pas pu comprendre qu’il y avait une limite à la vitesse. Si, au cours de ses expériences, il était tombé sur l'existence d'une vitesse limite, il aurait décidé qu'il s'agissait d'un accident, que seules les limites de ses capacités expérimentales étaient à blâmer. Il aurait le droit de penser qu’avec le développement de la technologie, la vitesse maximale pourrait être dépassée.

Le contraire nous apparaît clairement : compter là-dessus serait aussi ridicule que de croire qu'avec le développement de la navigation, il sera possible d'atteindre un endroit de la surface terrestre situé à plus de 20 000 kilomètres du point de départ (c'est-à-dire plus de la moitié de la circonférence terrestre).

Quand une minute équivaut-elle à une heure ?

Pour expliquer de manière exhaustive la relativité du temps et les conséquences qui en découlent, qui semblent étranges par habitude, Einstein utilise des exemples avec un train. Faisons de même. Nous appellerons le train géant se déplaçant à une vitesse imaginaire fabuleuse « le train d’Einstein ».

Imaginons un très long chemin de fer. Il y a deux stations distantes de 864 millions de kilomètres l’une de l’autre. Pour parcourir la distance qui les sépare, le train d'Einstein, se déplaçant à une vitesse de, disons, 240 000 kilomètres par seconde, prendrait une heure. Les deux stations disposent d’horloges parfaitement précises.

A la première gare, le voyageur monte à bord du train. Tout d'abord, il règle son chronomètre de poche exactement en fonction de l'horloge de la gare. Arrivé dans une autre gare, il vérifie avec l'horloge de la gare et s'étonne de constater que le chronomètre est en retard...

Pourquoi est-ce arrivé?

Supposons qu'il y ait une ampoule électrique au sol du wagon et un miroir au plafond. Un rayon de lumière provenant d’une ampoule tombant sur un miroir est réfléchi vers l’ampoule. La trajectoire du faisceau, vue par un voyageur dans le chariot, est représentée sur l'image du haut : le faisceau est dirigé verticalement vers le haut et tombe verticalement vers le bas.

Une image différente se présentera à l’observateur à la station. Pendant le temps pendant lequel le faisceau lumineux voyageait de l'ampoule au miroir, le miroir se déplaçait avec le train. Et lors de la chute du faisceau réfléchi, l’ampoule elle-même s’est déplacée de la même distance. Le trajet parcouru par le rayon du point de vue d'un observateur à la station est représenté sur la figure du bas : il constitue les deux côtés d'un triangle équilatéral. La base du triangle est formée par une ampoule transportée vers l'avant par le train.

On voit que du point de vue d'un observateur en gare, le rayon lumineux a parcouru une plus grande distance que du point de vue d'un observateur dans le train. En même temps, nous savons que la vitesse de la lumière est constante dans toutes les conditions : elle est exactement la même pour un observateur dans une gare et pour un voyageur dans un train. Qu’est-ce qui en découle ?

Il est clair que si les vitesses sont les mêmes, mais que les longueurs des chemins sont différentes, alors il faut moins de temps pour parcourir un chemin plus court et plus de temps pour en parcourir un plus grand. Il est facile de calculer le rapport des deux temps.

Supposons que, du point de vue de l'observateur à la station, 10 secondes se soient écoulées entre le départ du faisceau vers le miroir et son retour vers l'ampoule. Pendant ces 10 secondes la lumière est passée :

300 000 x 10 = 3 millions de kilomètres.

Par conséquent, les côtés AB et BC du triangle isocèle ABC sont égaux à 1,5 million de kilomètres chacun. Le côté AC 1, base du triangle, est égal à la distance parcourue en 10 secondes par le train, à savoir :

240 000 x 10 = 2,4 millions de kilomètres.

La moitié de la base, AD 1, équivaut à 1,2 million de kilomètres.

A partir de là, il n'est pas difficile de déterminer la hauteur de la voiture - la hauteur du triangle BD. Du triangle rectangle ABD on a :

BD 2 = AB 2 - AD 2 = 1,52 - 1,22

Donc BD = 0,9 million de kilomètres.

La hauteur est tout à fait respectable, ce qui n’est cependant pas surprenant compte tenu des dimensions astronomiques du train d’Einstein.

Le chemin parcouru par le rayon du point de vue d'un observateur à bord du train est évidemment égal à deux fois la hauteur du triangle :

2BD = 2 x 0,9 = 1,8 millions de kilomètres.

Pour parcourir ce chemin, la lumière aura besoin de :

1 800 000/300 000 = 6 secondes.

Ainsi, pendant que le faisceau de lumière allait de l'ampoule au miroir et vice-versa, 10 secondes s'écoulaient à la gare, et seulement 6 secondes dans le train. Le rapport temps passé dans le train/temps passé en gare est de 6/10.

D’où cette conséquence surprenante : selon l’heure des gares, le train mettait une heure à voyager entre les gares, mais selon le chronomètre du voyageur, seulement 6/10 d’heure, soit 36 minutes. C'est pourquoi, lors des déplacements entre les gares, le chronomètre du voyageur était en retard sur l'horloge de la gare et, de plus, de 24 minutes.

Il faut bien réfléchir à ce fait : ce n’est pas pour cela que le chronomètre du voyageur a pris du retard ; qu'il marchait plus lentement ou travaillait mal. Non, cela fonctionnait de la même manière que les horloges des gares. Mais le temps passé dans un train en mouvement par rapport aux gares s'écoulait différemment que dans les gares.

D'après le diagramme avec le triangle, il est clair que plus la vitesse du train est élevée, plus le décalage du chronomètre entre le train et la vitesse de la lumière doit être grand, il est possible de garantir que toute courte période de temps s'écoule ; train en une heure de temps de gare. Par exemple, avec une vitesse de train égale à environ 0,9999 de la vitesse de la lumière, il ne s'écoulera qu'une minute dans une heure de gare du train (ou, à l'inverse, une heure s'écoulera dans une minute de gare du train si un un observateur d'une gare vérifie son heure à l'aide de deux chronomètres installés au début et à la fin du train).

Considérant le temps comme absolu, les gens l’imaginaient comme quelque chose s’écoulant uniformément et, de plus, partout et dans toutes les conditions du monde à la même vitesse. Mais le train d'Einstein montre que le rythme du temps est différent selon les laboratoires. Cette relativité du temps est l’une des propriétés les plus importantes du monde physique.

De tout ce qui a été dit, nous pouvons conclure que la « machine à voyager dans le temps » décrite par Wells dans son histoire de science-fiction n'est pas un fantasme si vide de sens. La relativité du temps ouvre la possibilité, du moins en théorie, de voyager dans le futur. Il n’est pas difficile de comprendre que le train d’Einstein est précisément une « machine à voyager dans le temps ».

Machine à remonter le temps

En fait, imaginons que le train d’Einstein ne se déplace pas en ligne droite, mais le long d’une voie ferrée circulaire. Ainsi, à chaque fois qu'il reviendra à sa gare d'origine, le voyageur découvrira que son horloge est derrière celle de la gare.

En rapprochant la vitesse du train de la vitesse de la lumière, vous pouvez, comme vous le savez déjà, garantir que tout petit laps de temps s'écoule dans le train en une heure selon l'horloge de la gare. Cela conduit à des résultats surprenants : alors que seules des années s'écouleront dans le train, des centaines et des milliers d'années s'écouleront en gare. En sortant de sa « machine à voyager dans le temps », notre voyageur se retrouvera dans un futur à part... Ses parents et amis sont morts depuis longtemps... Il ne retrouvera vivants que leurs lointains descendants.

Cependant, le train d'Einstein est encore très différent de la voiture de Wells. Après tout, selon le romancier, elle pouvait se déplacer dans le temps non pas grâce à sa vitesse élevée, mais grâce à un dispositif technique spécial. Mais en réalité, aucun dispositif de ce type ne peut être créé ; c'est complètement absurde. Il n'y a qu'une seule façon d'accéder au futur : donner au train une vitesse colossale - proche de la vitesse de la lumière.

Une autre propriété distingue le train d'Einstein de la machine à voyager dans le temps de Wells : il n'est pas capable de reculer dans le temps, c'est-à-dire qu'il est privé de la capacité d'aller dans le passé, et ainsi de revenir du futur au présent.

En général, l’idée même derevenir en arrière dans le temps n’a absolument aucun sens. Nous ne pouvons influencer que ce qui ne s’est pas encore produit, mais nous ne pouvons pas changer ce qui s’est déjà produit. Cela ressort clairement de cet exemple : s'il était possible de remonter le temps, il pourrait arriver qu'une personne remonte le temps et tue ses parents alors qu'ils étaient encore bébés. Et s’il revenait au présent, il se retrouverait dans la position absurde d’un homme dont les parents sont morts bien avant sa naissance !

Se déplacer à une vitesse proche de la vitesse de la lumière ouvre théoriquement une autre possibilité : parcourir n'importe quelle distance en même temps que le temps. Et ils peuvent être si grands dans l’espace mondial que même à vitesse maximale, une vie humaine ne suffirait pas pour la plupart des voyages.

Un exemple serait une étoile située, disons, à deux cents années-lumière de nous. La vitesse de la lumière étant la vitesse la plus élevée dans la nature, il est donc impossible d’atteindre cette étoile plus de deux cents ans après son lancement. Et comme la durée de la vie humaine est inférieure à deux cents ans, on peut affirmer sans se tromper que l’homme est fondamentalement privé de la possibilité d’atteindre des étoiles lointaines.

Pourtant, ce raisonnement est erroné. L’erreur est que nous parlons de deux cents ans comme de quelque chose d’absolu. Mais le temps est relatif, c’est-à-dire qu’il n’y a pas d’heure commune à tous les laboratoires. Dans les gares, il y avait un décompte du temps, mais dans le train d'Einstein, il y en avait un autre.

Imaginons un astronaute voyageant dans l'espace. Au moment où il atteint une étoile située à deux cents années-lumière de nous, selon le temps terrestre, deux cents ans s'écouleront en réalité. Dans une fusée, en fonction de sa vitesse par rapport à la Terre, comme nous le savons, n'importe quelle courte période de temps peut s'écouler.

Ainsi, l'astronaute atteindra l'étoile selon son calcul de temps non pas dans deux cents ans, mais, disons, dans un an. A une vitesse suffisamment élevée, il est théoriquement possible de « voler » vers une étoile et d'en revenir selon l'horloge de la fusée, même en une minute...

De plus : lorsque vous vous déplacez à la vitesse maximale au monde - 300 000 kilomètres par seconde - le temps devient extrêmement petit, c'est-à-dire égal à zéro. En d’autres termes, si une fusée pouvait se déplacer à la vitesse de la lumière, le temps s’arrêterait complètement pour l’observateur qui s’y trouve, et du point de vue de cet observateur, le moment du départ coïnciderait avec le moment de l’arrivée.

Nous répétons que tout cela n’est concevable que théoriquement. En pratique, voyager vers le futur et vers des étoiles lointaines est impossible, car le déplacement des voitures et des personnes à des vitesses proches de la vitesse de la lumière est impossible pour des raisons techniques.

Et les tailles des objets sont relatives

Les raisonnements et les exemples divertissants donnés dans les chapitres précédents semblent fantastiques. Mais leur objectif n'est pas de captiver le lecteur par la fantaisie, mais de montrer la profondeur et la gravité des conséquences découlant de la relativité du temps.

Il n’est pas difficile de voir que la relativité du temps implique aussi la relativité des tailles des corps.

Supposons que la longueur du quai sur lequel passe le train d'Einstein soit de 2,4 millions de kilomètres. À une vitesse de 240 000 kilomètres par seconde, le train franchira le quai en 10 secondes. Mais en 10 secondes de temps de gare, seules 6 secondes s'écouleront dans le train. De là, le voyageur conclura à juste titre que la longueur de la plate-forme est de 240 000 x 6 = 1,44 million de kilomètres, et non de 2,40 millions de kilomètres.

Cela signifie qu'un objet au repos par rapport à n'importe quel laboratoire est plus long qu'un objet en mouvement. Le quai bougeait par rapport au train, mais par rapport à la gare, il était au repos. Par conséquent, pour l’observateur à la gare, c’était plus long que pour le voyageur. Les wagons, au contraire, étaient 10/6 fois plus courts pour l'observateur en gare que pour le voyageur.

À mesure que la vitesse augmente, la longueur des objets diminue de plus en plus. Par conséquent, à la vitesse la plus élevée, elle devrait devenir la plus basse, c'est-à-dire égale à zéro.

Ainsi, tout corps en mouvement se contracte dans le sens de son mouvement. A cet égard, il faut modifier un des exemples que nous avons donnés dans le n°9 de la revue, à savoir : lors d'une expérience d'ouverture de portes sur un bateau à vapeur, nous avons constaté que pour un observateur sur le quai, la deuxième porte s'ouvrait 40 quelques secondes plus tard que le premier. Mais comme la longueur du bateau à vapeur, se déplaçant à une vitesse de 240 000 kilomètres par seconde, a été réduite de 10/6 fois par rapport à la jetée, l'intervalle de temps réel entre l'ouverture des portes sera égal à 40 secondes et non à 40 secondes, selon l'horloge du quai : 10/6 = 24 secondes . Bien entendu, cette correction numérique ne change rien aux conclusions fondamentales que nous avons tirées de l’expérience du paquebot.

La relativité des tailles des corps entraîne immédiatement une conséquence nouvelle, peut-être la plus frappante, du principe de relativité. « Le plus frappant » car il explique le résultat inattendu de l’expérience de Michaelson, qui a jadis semé la confusion dans les rangs des physiciens. Il s’agissait, comme vous vous en souvenez, de l’addition de vitesses qui, pour une raison inconnue, ne « voulaient » pas obéir à l’arithmétique ordinaire.

L'homme a toujours été habitué à additionner les vitesses dirigées en ligne droite et dans une direction, de manière purement arithmétique, c'est-à-dire aussi simplement que des tables ou des pommes. Par exemple, si un navire navigue dans une certaine direction à une vitesse de 20 kilomètres par heure et qu'un passager marche le long de son pont dans la même direction à une vitesse de 5 kilomètres par heure, alors la vitesse du passager par rapport à la jetée sera égale à 20 + 5 = 25 kilomètres par heure.

Jusqu'à récemment, les physiciens étaient convaincus que cette méthode d'addition était absolument correcte et adaptée pour trouver la somme de n'importe quelle vitesse. Mais le principe de relativité n’a pas laissé intacte cette règle de la mécanique.

Essayez, par exemple, d'additionner des vitesses de 230 et 270 000 kilomètres par seconde. Que va-t-il se passer ? 500 mille kilomètres par seconde. Mais une telle vitesse ne peut pas exister, puisque 300 000 kilomètres par seconde est la vitesse la plus élevée au monde. De là, il est au moins clair que la somme de n'importe quelle vitesse, quelle qu'elle soit, ne peut en aucun cas dépasser 300 000 kilomètres par seconde.

Mais peut-être est-il permis d'ajouter des vitesses arithmétiquement inférieures, par exemple 150 et 130 000 kilomètres par seconde ? Après tout, leur somme, 280 000 kilomètres par seconde, ne dépasse pas la vitesse maximale au monde.

Il est facile de voir que la somme arithmétique est ici aussi incorrecte. Supposons, par exemple, qu'un bateau à vapeur passe devant une jetée à une vitesse de 150 000 kilomètres par seconde et qu'une balle roule sur le pont d'un bateau à vapeur à une vitesse de 130 000 kilomètres par seconde. La somme de ces vitesses doit exprimer la vitesse de la balle par rapport au quai. Cependant, grâce au chapitre précédent, nous savons qu’un corps en mouvement se contracte en taille. Par conséquent, une distance de 130 000 kilomètres sur un navire n'est pas du tout égale à 130 000 kilomètres pour un observateur sur le quai, et 150 000 kilomètres le long du rivage ne sont pas du tout égales à 150 000 kilomètres pour un passager d'un navire.

Ensuite, pour déterminer la vitesse de la balle par rapport à la jetée, l'observateur utilise une horloge sur la jetée. Mais la vitesse de la balle sur un bateau à vapeur est déterminée par le temps du bateau à vapeur. Et le temps passé sur un navire en mouvement et sur le quai, comme nous le savons, n'est pas du tout le même.

Voilà à quoi se présente en pratique la question de l’addition des vitesses : il faut tenir compte de la relativité des distances et du temps. Comment faut-il ajouter les vitesses ?

Einstein a donné pour cela une formule spéciale, correspondant au principe de relativité. Jusqu'à présent, nous n'avons pas donné de formules de la théorie de la relativité, ne voulant pas encombrer cet article difficile. Cependant, le langage concis et clair des mathématiques rend beaucoup de choses immédiatement claires, remplaçant les longs arguments par beaucoup de mots. La formule pour additionner les vitesses est non seulement beaucoup plus simple que tous les arguments précédents, mais elle est en elle-même si simple et intéressante qu'elle mérite d'être citée :

V1 + V2
W = _________________
V1xV2
1+ ___________
C2

Ici V 1 et V 2 sont les composantes de la vitesse, W est la vitesse totale, c est la vitesse la plus élevée au monde (la vitesse de la lumière), égale à 300 000 kilomètres par seconde.

Cette formule merveilleuse a juste la bonne propriété : quelles que soient les vitesses que nous additionnons, nous n'atteindrons jamais plus de 300 000 kilomètres par seconde. Essayez d'ajouter 230 000 et 270 000 kilomètres par seconde ou même 300 000 et 300 000 kilomètres par seconde en utilisant cette formule et voyez ce qui se passe.

Lors de l'addition de petites vitesses - comme on en rencontre dans la plupart des cas dans la pratique - la formule donne un résultat qui nous est familier, pas très différent de la somme arithmétique. Prenons, par exemple, même les vitesses de déplacement modernes les plus élevées. Laissez deux avions se rapprocher l’un de l’autre, volant chacun à 650 kilomètres par heure. Quelle est la vitesse de leur approche ?

Arithmétiquement - (650 + 650) = 1300 kilomètres par heure. Selon la formule d'Einstein, c'est seulement 0,72 microns de moins par heure. Et dans l'exemple ci-dessus avec un navire se déplaçant lentement avec une personne marchant le long du pont, cette différence est même 340 000 fois moindre.

Il est impossible de détecter de telles quantités dans de tels cas par des mesures. Et leur valeur pratique est nulle. De là, il est clair pourquoi les gens n'ont pas remarqué pendant des milliers d'années que l'addition arithmétique des vitesses est fondamentalement incorrecte : l'imprécision d'une telle addition est bien moindre que les exigences les plus strictes de la pratique. Et donc, en technologie, tout concordait toujours avec les calculs, si seulement les calculs étaient corrects.

Mais il n'est plus possible d'additionner arithmétiquement des vitesses comparables à la vitesse de la lumière : on peut ici tomber dans des erreurs grossières. Par exemple, à une vitesse de 36 000 kilomètres par seconde, l'erreur dépassera 1 000 kilomètres, et à 100 000 kilomètres par seconde, elle atteindra déjà 20 000 kilomètres par seconde.

Le fait que l'addition arithmétique des vitesses soit incorrecte, mais que la formule d'Einstein soit correcte, est confirmé par l'expérience. Il ne pouvait en être autrement : après tout, c’est l’expérience qui a obligé les physiciens à reconsidérer les anciens concepts de la mécanique et les a conduits au principe de relativité.

Sachant comment additionner les vitesses, nous pouvons désormais comprendre les résultats « mystérieux » de l’expérience de Michaelson. En réalisant cette expérience alors que la Terre se dirigeait vers le faisceau lumineux à une vitesse de 30 kilomètres par seconde, Michaelson espérait obtenir un résultat de 300 000 + 30 = 300 030 kilomètres par seconde.

Mais on ne peut pas additionner les vitesses comme ça !

Remplacez V 1 = c (c est la vitesse de la lumière) et V 2 = 30 dans la formule d'addition des vitesses, et vous constaterez que la vitesse totale n'est égale qu'à c1, et pas plus. C'était exactement le résultat de l'expérience de Michaelson.

Le même résultat sera obtenu pour toutes les autres valeurs de V 2, si seulement V 1 est égal à la vitesse de la lumière. Laissez la Terre parcourir n'importe quel nombre de kilomètres par seconde : 30 - autour du Soleil, 275 - avec le système solaire, et des milliers de kilomètres - avec la Galaxie entière. Cela ne change rien aux choses. Dans tous les cas où l'on ajoute la vitesse de la Terre à la vitesse de la lumière, la formule donnera la même valeur c.

Ainsi, les résultats de l'expérience de Michaelson nous ont surpris uniquement parce que nous ne savions pas comment additionner correctement les vitesses. Nous ne savions pas comment faire, car nous ne savions pas que les corps se contractent dans le sens de leur mouvement et que le temps s'écoule différemment selon les laboratoires.

Masse et énergie

Reste à considérer la dernière question.

L’une des propriétés les plus importantes de tout corps est sa masse. Nous avons l'habitude de penser qu'il reste toujours inchangé. Mais les calculs basés sur le principe de relativité montrent autre chose : lorsqu’un corps bouge, sa masse augmente. Il augmente autant de fois que la longueur du corps diminue. Ainsi, la masse du train d'Einstein, se déplaçant à une vitesse de 240 000 kilomètres par seconde, est 10/6 fois supérieure à la masse au repos.

À mesure que la vitesse approche de la limite, la masse augmente de plus en plus vite. À vitesse maximale, la masse de tout corps doit devenir infiniment grande. Les vitesses habituelles que l'on rencontre en pratique provoquent une augmentation de masse totalement insignifiante.

Cependant, il est encore possible de tester ce phénomène expérimentalement : la physique expérimentale moderne est capable de comparer la masse des électrons en mouvement rapide avec la masse des électrons au repos. Et l'expérience confirme pleinement la loi de dépendance de la masse à la vitesse.

Mais pour donner de la vitesse aux corps, il faut dépenser de l’énergie. Et il s’avère donc qu’en général tout travail effectué sur un corps, toute augmentation de l’énergie du corps entraîne une augmentation de masse proportionnelle à cette énergie dépensée. Par conséquent, la masse d'un corps chauffé est supérieure à celle d'un corps froid, la masse d'un ressort comprimé est supérieure à celle d'un ressort libre.

Des quantités insignifiantes d’unités de masse correspondent à d’énormes quantités d’unités d’énergie. Par exemple, pour augmenter la masse d’un corps de seulement 1 gramme, il faut y effectuer 25 millions de kilowattheures de travail. En d’autres termes, la masse de 25 millions de kilowattheures d’énergie électrique équivaut à 1 gramme. Pour obtenir ce gramme, il faut toute l'énergie générée par la centrale hydroélectrique du Dniepr en deux jours. En calculant un seul kopeck par kilowattheure, nous constatons qu'un gramme d'énergie électrique la moins chère coûte 250 000 roubles. Et si vous transformez l'électricité en lumière, 1 gramme de lumière coûtera environ 10 millions de roubles. C'est plusieurs fois plus cher que la substance la plus chère - le radium.

Si vous brûlez 1 tonne de charbon à l’intérieur, les produits de combustion pèseront, après refroidissement, seulement 1/3000ème de gramme de moins que le charbon et l’oxygène à partir desquels ils ont été formés. La fraction de masse manquante est perdue par rayonnement thermique. Et chauffer 1 tonne d'eau de 0 à 100 degrés entraînera une augmentation de sa masse de moins de 5/1 000 000 parties de gramme.

Il est tout à fait compréhensible que des changements aussi insignifiants dans la masse des corps lorsqu'ils perdent ou gagnent de l'énergie échappent aux mesures les plus précises. Cependant, la physique moderne connaît des phénomènes dans lesquels un changement de masse devient perceptible. Ce sont des processus qui se produisent lors de la collision de noyaux atomiques, lorsque des noyaux d'autres éléments sont formés à partir des noyaux d'un élément.

Par exemple, lorsque le noyau d’un atome de lithium entre en collision avec le noyau d’un atome d’hydrogène, deux noyaux d’un atome d’hélium se forment. La masse de ces deux noyaux est déjà considérablement inférieure – 1/4 de partie – à la masse totale des noyaux d’hydrogène et de lithium. Ainsi, lorsque 1 gramme d'un mélange de lithium et d'hydrogène est converti en hélium, 1/400ème de gramme d'énergie devrait être libéré, qui sera en kilowattheures :

25 000 000/ 400 = 62,5 mille kilowattheures.

Ainsi, si nous pouvions facilement réaliser des transformations nucléaires, nous deviendrions propriétaires d'une riche source d'énergie : pour obtenir la puissance de la centrale hydroélectrique du Dniepr, il suffirait de convertir seulement 4 grammes d'un mélange de lithium et d'hydrogène en hélium toutes les heures.

Physique nouvelle et ancienne

Ceci conclut notre brève introduction au principe de relativité.

Nous avons vu quels changements sérieux et profonds le principe de relativité a apporté à la vision du monde qui s’est développée au sein de l’humanité au cours de plusieurs siècles. Cela ne signifie-t-il pas que les vieilles idées sont complètement détruites ? Qu'ils devraient être complètement rejetés ? Que toute la physique créée avant la découverte du principe de relativité devrait être rayée comme incorrecte ?

Non, car l'écart entre la physique ancienne (dite « classique ») et la physique prenant en compte le principe de relativité (« relativiste », du mot latin « relatio », qui signifie « référence ») est trop insignifiant dans presque tous les domaines. de notre activité pratique.

Si, par exemple, un passager d’un train ordinaire, même le plus rapide (mais bien sûr pas celui d’Einstein) décidait d’introduire une correction du temps basée sur le principe de la relativité, on se moquerait de lui. Au cours d'une journée, une telle modification s'exprimerait en dix milliardièmes de seconde. Les secousses du train et le fonctionnement imprécis du meilleur mécanisme horloger ont un effet incomparablement plus important sur les lectures de la montre.

Un ingénieur qui introduireait dans les calculs l’augmentation de la masse de l’eau lorsqu’elle est chauffée pourrait être traité de fou. Mais un physicien qui étudie la collision des noyaux atomiques, mais ne prend pas en compte les éventuels changements de masse, devrait être expulsé du laboratoire pour ignorance.

Les concepteurs concevront toujours des voitures en utilisant les lois de la physique classique : les corrections apportées au principe de relativité auront moins d’impact sur les voitures qu’un microbe atterrissant sur un volant d’inertie. Mais un physicien observant des électrons rapides doit prendre en compte l'évolution de leur masse en fonction de la vitesse.

Ainsi, les lois de la nature, découvertes avant l'émergence du principe de relativité, ne sont pas annulées ; la théorie de la relativité ne réfute pas, mais ne fait qu'approfondir et affiner les connaissances acquises par l'ancienne science. Il fixe les limites dans lesquelles ces connaissances peuvent être utilisées sans commettre d'erreurs.

En conclusion, il faut dire que la théorie de la relativité ne se limite pas aux questions que nous avons abordées dans cet article. Poursuivant le développement de son enseignement, Einstein donna plus tard une image complètement nouvelle d'un phénomène aussi important que la gravitation universelle. À cet égard, la doctrine de la relativité était divisée en deux parties. Le premier d’entre eux, sans rapport avec la gravitation, était appelé « principe de relativité » « particulier » ou « restreint » ; la deuxième partie, traitant des questions de gravitation, est appelée le « principe général de la relativité ». Ainsi, nous n'avons pris connaissance que d'un principe particulier (la considération du principe général n'était pas le but de cet article).

Il ne reste plus qu'à constater qu'avec une étude suffisamment approfondie de la physique, tous les labyrinthes de la construction complexe de la théorie de la relativité deviennent complètement clairs. Mais y accéder, comme nous le savons, était loin d’être facile. Cela nécessitait une brillante supposition : il fallait pouvoir tirer les bonnes conclusions de l'expérience de Michaelson - découvrir la relativité du temps avec toutes les conséquences qui en découlent.

Ainsi, l’humanité, dans sa quête éternelle pour comprendre le monde plus largement et plus profondément, a remporté l’une de ses plus grandes victoires.

Cela le doit au génie d'Albert Einstein.