La relativité, la théorie spéciale qui a accéléré la physique
2005/09/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
La matière et l'énergie sont les mêmes, a déclaré Albert Einstein lui-même. Les planètes, les montagnes, les mers, les animaux, les arbres et nous sommes l'énergie parce que nous sommes la matière. La vérité est qu'Einstein n'a pas utilisé ces mots exactement, mais une phrase beaucoup plus représentative: "It followed from the special theory of relativity that mass and energy are both but different manifestations of the same thing". C'est-à-dire que la matière et l'énergie sont des formes différentes de la même chose. Et, plus important que les mots, Einstein nous a laissé une formule pour exprimer cette idée: E = mc 2 . Il a publié sa formule célèbre dans sa théorie particulière de la relativité.
En plus d'indiquer que la matière et l'énergie sont les mêmes, la formule d'Einstein détermine la proportion entre les deux. En bref, la formule dit qu'un peu de matière équivaut à une grande quantité d'énergie. Et à l'envers. Il faudrait beaucoup d'énergie pour obtenir un peu de matière, à condition que nous connaissions la façon de la transformer entre elles. En quelque sorte, la matière est une énergie "gelée", ou quelque chose comme ça. Concept curieux. D'où vient cette idée le jeune homme qui travaillait dans un bureau de brevets ?
Plusieurs fois, ils nous ont dit que c'était une question d'inspiration, à savoir qu'Einstein serait ennuyeux au travail, qu'il aurait la tête sur autre chose et, comme il était un génie, l'idée de la relativité lui est venue. On ne peut pas dire qu'Einstein n'était pas un jeune homme très intelligent, mais la théorie de la relativité ne lui était pas "venue" sans plus. Il a eu de sérieux problèmes pour développer cette théorie.
La théorie spéciale de la relativité, en outre, ne découle pas d'une seule idée. Il repose, au moins, sur deux principes, la soi-disant relativité et l'idée que la vitesse de la lumière soit constante. Tous deux ont été publiés en 1905, mais ce ne sont pas des improvisations. C'étaient des idées longuement réfléchies.
La relativité elle-même
Peut-être le plus facile à comprendre est la relativité des deux principes. Le principe de relativité établit que les lois physiques dans un système inertiel ne varient pas en fonction de la vitesse du système. Ce sont de gros mots, mais faciles à comprendre.
Les systèmes inertiels sont appelés ceux qui ont une vitesse constante et ne s'accélèrent pas. Par exemple, quelqu'un qui est dans la rue est dans un système inertiel, parce que la rue n'a pas d'accélération, parce qu'il est immobile. Si un tremblement de terre se produisait, il aurait une accélération, mais sinon, la rue est immobile. Cependant, il n'est pas nécessaire que le système se tienne pour être inertiel. Un train à vitesse constante est aussi un système inertiel.
Le principe de relativité établit que les lois physiques ne sont pas modifiées dans un système inertiel. Que vous soyez dans la rue ou que vous voyagiez sur un train qui se déplace à cent kilomètres par heure, les lois physiques sont les mêmes.
Un exemple très utilisé par les physiciens est facilement visible. Imaginez que vous êtes dans un train qui va à cent kilomètres par heure (il est surprenant que l'exemple du train utilisé pour expliquer la relativité! ) et vous laissez tomber une pomme (la pomme est aussi classique dans les exemples de la physique, non? ). La pomme tombe verticalement sur le sol, comme si elle l'avait laissé tomber dans la station. La loi physique ne change pas. La pomme tombe de même à l'intérieur du train et à la gare.
Il semble évident, non ? C'était l'idée fascinante de la relativité ? Car ce n'est pas si évident : le fait lui-même ne semble pas égal d'un autre point de vue. Vous êtes maintenant à la gare et vous avez vu le train passer. Et à ce moment-là, quelqu'un qui va dans le train a laissé tomber la pomme. Vous, depuis la gare, ne verrez pas tomber la pomme verticalement. En raison de la vitesse du train, pendant la chute, il se déplacera quelques mètres en avant et, pour vous, la pomme fera une parabole en tombant. Dans l'image ci-dessus, on voit cette parabole.
De ces deux points de vue, nous avons recueilli deux versions du même événement. Alors, que s'est-il réellement passé? Le principe de relativité dit qu'on ne peut pas dire quelle est la version 'réelle' et ce qui n'est pas. Les deux sont réelles et ce n'est pas la seule vérité. Pour qu'il n'y ait qu'une seule vérité, nous devrions avoir une référence absolue, mais elle n'existe pas.
Pour déterminer les vitesses, par exemple, nous aurions besoin d'une référence immobile. Mais ce qui ? Est-ce que le sol? C'est une bonne référence pour étudier le mouvement du train, mais il ne convient pas, par exemple, d'étudier celui de la Lune. Alors, quoi ? La Terre ? Le soleil ? La voie lactée ? Dans l'univers il n'y a rien de stoppé et il n'y a pas de références absolues.
Vitesse de la lumière
D'où l'importance du principe de relativité, qui met en évidence la dépendance du système de référence. D'où Einstein partit pour déduire la célèbre formule E = mc 2, mais pas seulement de là.
Il a également utilisé le deuxième principe que la vitesse de la lumière est absolue. Absolu signifie, indépendamment de la référence, qu'il est toujours le même. Il est difficile à comprendre. Il ne correspond pas à ce que nous dit l'instinct, et c'est pourquoi il nous rend si difficile de le comprendre. En fait, la simple mesure de la vitesse de la lumière devient très étrange, même si c'est une question très ancienne.
Quand Einstein est né, les scientifiques avaient très bien mesuré la vitesse de la lumière. En 1676, le Danois Ole Römer a déclaré que la lumière passe 225.000 kilomètres en une seconde. La mesure était bonne, pas très loin de la valeur autorisée aujourd'hui
Le nombre est minimal. Mesurer cette vitesse signifie reconnaître que la lumière n'apparaît pas soudainement partout, mais se déplace. Et c'est pourquoi il a une vitesse.
On croit que la vitesse de la lumière et toute autre vitesse devraient agir de la même manière, mais ce n'est pas le cas. Les physiciens utilisent le train et la gare pour l'expliquer, et cette fois la personne qui est à la station a une brosse. Si vous allumez, la lumière se propage à pleine vitesse, 300.000 kilomètres par seconde. Avec cela, il n'y a pas de problème. Le problème se pose quand il est mesuré à partir du train en mouvement. Si le train voyage à une vitesse de 200.000 kilomètres par seconde, la vitesse de la lumière devrait être de 100.000 dans le même sens du train, mais ce n'est pas le résultat de la mesure; à la fois de la gare et du train, la vitesse de la lumière est de 300.000 kilomètres par seconde.
Comment est-il possible ? La question est que la vitesse change plusieurs facteurs. L'une d'elles est la longueur de l'objet en mouvement, du train, dans notre exemple. Seulement par la vitesse, le train est comprimé dans la direction du mouvement. Et plus il se déplace rapidement, plus il est comprimé. Précisément à la vitesse de la lumière disparaîtrait. Alors, pourquoi ne le percevons-nous pas ? Car simplement parce que nous nous déplaçons trop lentement. Le vaisseau spatial le plus rapide est également trop lent pour se sentir compression. En fait, la compression de 1% exigerait de se déplacer à 42.300 kilomètres par seconde, c'est-à-dire à 152 millions de kilomètres par heure. La technologie actuelle ne peut certainement pas provoquer ce type de vitesse dans un emballage.
Dans notre exemple, le train est comprimé, mais les intérieurs ne le sont pas. Cependant, en raison de la compression, les résultats sont atteints de 300.000 kilomètres par seconde. Mesurée à partir de n'importe quel système de référence, la vitesse de la lumière est la même.
Contexte historique
L'idée d'Einstein n'est pas que la vitesse produise de la compression. De son côté, l'irlandais FitzGerald et le néerlandais Lorentz ont proposé cette proposition et lancé des formules pour calculer la compression. C'était un concept nouveau et audacieux, mais il expliquait parfaitement une célèbre expérience de deux physiciens américains: Michelson et Morley mesurèrent la vitesse de la lumière en tenant compte du mouvement de la Terre. Selon eux, la Terre étant en mouvement, la vitesse de la lumière ne pouvait pas être la même dans la direction du mouvement et perpendiculaire à cette direction. Mais chaque fois qu'ils ont été mesurés, la vitesse de la lumière était la même. L'expérience semblait un échec absolu, mais à la longue, c'était un échec très utile, pour certains l'échec le plus prolifique de l'histoire de la science (peut-être dire trop). FitzGerald et Lorentz sont partis de cet échec pour proposer que la vitesse produit la compression.
Et Einstein a recueilli et généralisé toutes ces convictions et calculs sur la base que la vitesse de la lumière est absolue. Lorentz considérait qu'avec la vitesse la masse augmente dans le cas des particules chargées; Einstein estime que la masse augmente avec la vitesse dans n'importe quel type de matière, non seulement dans les particules chargées. En outre, le temps n'était pas non plus absolu, mais dépendait de la référence, c'est-à-dire sur une horloge qui se déplace à grande vitesse le temps ralentit. Cela a une conséquence surprenante: que les événements simultanés ne se produisent pas nécessairement simultanément à partir d'un système de référence de vitesse différente. Cela a une grande influence sur l'observation astronomique, par exemple.
De là, le chemin vers la formule E = mc 2 reste dans le domaine des opérations mathématiques et de la physique de base (il est facile à dire, mais il faut le faire). Partant des formules de Lorentz et considérant que la vitesse de la lumière est absolue, Einstein a déduit la relation entre masse et énergie cinétique. Cette formule est devenue très populaire, mais pas tant sa signification. Que la matière et l'énergie sont les mêmes. Et quoi ? La théorie spéciale de la relativité a l'apparence d'une simple occurrence théorique, mais elle est la base de la bombe atomique, et oui, cela oui.
Nouvelle physique
Ces idées de la théorie spéciale de la relativité ne sont pas facilement compris, entre autres choses parce que nous vivons dans une vie très lente. Nous ne nous déplaçons pas à grande vitesse et, sauf la lumière elle-même, nous ne voyons rien qui bouge à grande vitesse.
là, il faut tenir compte de la théorie de la relativité,
car les particules se déplacent à grande vitesse.
Sinon, il serait évident que la vitesse de la lumière est absolue, elle ne dépend pas du point de référence. Ce n'est pas relatif. Et c'est l'une des bases de la théorie de la relativité. Il semble paradoxal, mais il ne crée pas un véritable paradoxe.
Cependant, cette théorie a acquis une grande renommée: il était difficile à comprendre, complexe et surtout inutile. À quoi sert la théorie de ce qui se déplace si vite si rien ne se déplace si vite dans notre environnement? Soyez. Les électrons, les protons et de nombreuses particules se déplacent rapidement. Très rapide. Et l'électricité est un mouvement d'électrons, et pour comprendre tout ce qui se passe dans les accélérateurs de particules, il faut tenir compte de la relativité. Ce n'est pas un thème vide. En fait, la relativité a changé la physique et, avec la physique, la technologie.
Fission, fille de la relativité
La matière et l'énergie sont les mêmes. C'est ce que dit la théorie de la relativité. Si nous savions comment convertir la masse en énergie, ce serait une source inépuisable. Mais nous ne connaissons pas ce processus. Nous ne sommes pas capables d'extraire toute l'énergie contenue dans la matière. La bombe atomique et d'autres réactions nucléaires sont les meilleures approximations à ce jour. Dans ces réactions, l'énergie devient quelques particules, une très petite masse pour chaque noyau d'uranium cassé, et ce processus libère une énorme quantité d'énergie. Capable de produire une bombe atomique. Imaginez comment l'énergie serait si les atomes d'uranium étaient transformés entiers. Si 92 protons à isotopes Uranio-235, 92 électrons et 143 neutrons étaient convertis en énergie, aujourd'hui il n'y aurait pas Hiroshima. Et peut-être une centrale nucléaire supposerait assez d'énergie pour toute la planète.
Théorie générale de la relativité
Quant à la relativité, Einstein n'est pas resté dans les idées publiées en 1905. En définitive, ces idées n'expliquaient que la physique des systèmes à vitesse constante. En 1916, il généralise la théorie et explique, entre autres, l'origine de la gravité. Il a expliqué que les grandes masses déforment l'espace et le temps et que la gravité en est une conséquence. Plus la masse est grande, plus elle déforme l'espace et le temps et crée un plus grand champ de gravité autour.
L'orbite de la planète Mercure est comprise avec cette théorie. L'orbite est rare, ce n'est pas une ellipse pure. Mais Einstein a expliqué que c'était dû au Soleil. Le soleil a une grande masse et Mercure est très proche. On y voit nécessairement les conséquences de la Relativité générale.
