La fin des étoiles en astronomie : Dilatation - Temps



Passons à une autre expérience. Vous placez maintenant, dans votre station et dans la navette, deux horloges lumineuses. Il s'agit d'un système formé de deux miroirs qui se font face et sont placés parallèlement à la direction du mouvement de la navette. Un petit dispositif permet de créer un faisceau lumineux qui va aller et venir entre les deux miroirs, alternativement réfléchi par l'un et l'autre. La durée de passage de la lumière d'une paroi à l'autre est constante. Ce système constitue donc une horloge qui permet de mesurer le temps. Il suffit de compter le nombre de va-et-vient de la lumière et de convertir le résultat en une durée.

Dilatation du temps
La dilatation du temps. La figure représente votre horloge lumineuse et celle de votre ami, à quatre instants successifs. Les flèches représentent le déplacement de la lumière entre deux instants. Leur longueur, qui correspond à la vitesse de la lumière, doit être partout la même d'après Einstein. Votre horloge est au repos et la lumière s'y propage perpendiculairement aux miroirs. Par contre, l'horloge de votre ami se déplace très vite et les rayons lumineux semblent s'y propager en biais. La distance parcourue par la lumière dans un aller-retour est donc plus longue. Puisque la vitesse de la lumière est la même pour tout le monde, cela signifie qu'un va-et-vient dure plus longtemps sur l'horloge de votre ami que sur la vôtre. Le temps paraît s'écouler plus lentement à bord de la navette. Dans le cas de cette figure, le facteur de dilatation est de 1,5. Crédit : O. Esslinger

Muni de ce système, votre ami accomplit un nouveau passage, moteurs éteints, devant la station spatiale. Sur votre horloge, rien de spécial ne se produit. Celle-ci continue à battre tranquillement le temps, le système est immobile et la lumière se propage perpendiculairement aux miroirs. Sur l'horloge de votre ami, par contre, la situation est différente. Puisque la navette spatiale se déplace entre deux réflexions, vous voyez la lumière se déplacer de façon oblique par rapport aux miroirs, et non pas perpendiculairement. Les rayons lumineux doivent donc parcourir une distance plus grande pour effectuer un aller-retour. Mais, la vitesse de la lumière étant la même pour tout le monde d'après Einstein, une distance plus grande correspond à un temps plus long. En conséquence, la durée d'un va-et-vient de la lumière à bord de la navette est plus longue que dans votre horloge. Cela signifie que le temps à bord du vaisseau ne s'écoule pas de la même façon pour tous les observateurs. Par exemple, si la navette se déplace à 75 pour cent de la vitesse de la lumière, vous voyez la durée d'un aller-retour de la lumière à bord multipliée par 1,5.

L'une des objections au raisonnement précédent consiste à dire que l'effet observé est dû à la nature de ces horloges, non pas à une propriété du temps lui-même. Ceci est faux. Il suffit de placer une horloge normale, mécanique ou électrique, à côté du système lumineux. Les deux horloges, placées l'une à coté de l'autre, seront toujours d'accord entre elles, quel que soit l'observateur. Et si vous observez que le temps indiqué par la première ralentit, nécessairement celui de la deuxième subit le même phénomène.

Cet effet de dilatation du temps semble extraordinaire, mais il a bel et bien été vérifié expérimentalement. Remarquons tout de même qu'il n'a pas de conséquence visible sur notre vie de tous les jours. Comme le montre l'expérience précédente, la dilatation du temps n'est vraiment importante que lorsque la vitesse en jeu est proche de celle de la lumière. En effet, le facteur de dilatation est fonction de la vitesse. Il est par exemple de 1,5 à 75 pour cent de la vitesse de la lumière et de cinq à 98 pour cent. Mais, pour les vitesses dont nous avons l'habitude, il est très proche de un, et n'a par conséquent aucune influence. Ainsi, les particules dans nos accélérateurs sont affectées par le phénomène, mais pas une voiture ou un avion, du moins pas dans une proportion mesurable.

Les jumeaux et la dilatation du temps

L'un des aspects curieux de la dilatation du temps est sa parfaite symétrie. En effet, tout mouvement est relatif. Ainsi, du point de vue de votre ami, c'est sa navette qui est immobile et votre station spatiale qui se déplace presque à la vitesse de la lumière. Il observera donc que c'est la durée d'un aller-retour sur votre horloge lumineuse qui est plus longue. En conséquence, c'est toujours un ralentissement du temps que l'on observe chez les autres, jamais une accélération.

Le changement total dans notre perception du temps est bien illustré par l'exemple suivant. Imaginez que vous avez un frère jumeau astronaute qui décide d'effectuer un aller-retour vers une étoile proche, à 98 pour cent de la vitesse de la lumière. Pour vous, la durée du voyage est de 50 ans. Mais lorsque vous observez votre frère à l'aide d'un télescope, vous voyez son temps s'écouler cinq fois plus lentement. Ainsi, lorsqu'il revient, il n'a vieilli que de 10 ans au lieu de 50. Et vous vous retrouvez finalement âgé de 40 ans de plus que votre frère jumeau. Difficile à croire, mais les vérifications expérimentales de la relativité ne laissent planer aucun doute. Le jour où les avancées technologiques permettront une telle expérience, c'est exactement ce qui se passera.

La situation précédente pose néanmoins un léger problème, auquel on a donné le nom de paradoxe des jumeaux. En effet, au premier abord, la situation paraît symétrique. Lorsque votre jumeau se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière, vous observez son temps s'écouler plus lentement. Mais, pour lui, c'est vous qui vous éloignez très vite et êtes affecté par le ralentissement du temps. Donc, à son retour, votre frère devrait être à la fois plus vieux et plus jeune que vous. Ce qui semble un peu difficile. En fait, il n'en est rien parce que la situation n'est pas réellement symétrique. Pour atteindre sa vitesse extraordinaire et rebrousser chemin au bon moment, votre frère doit fortement accélérer puis décélérer. Il ressentira clairement ces effets, alors que vous-même resterez en permanence au repos. Il y a donc une nette distinction entre son cadre de référence et le vôtre. La situation n'est pas symétrique et le paradoxe n'en est pas vraiment un.



Auteur : Olivier Esslinger

Source : www.astronomes.com/index.html