Le grand atout d’Einstein était son imagination, caractérisée par une fantaisie enfantine, non restreinte par les modèles imposés par la maturité réaliste.
Vitesse constante de la lumière
Il est possible que la première inspiration du scientifique ait été le train allant à la gare de Zurich, où Albert Einstein a ensuite vécu et travaillé. Alors que nous nous éloignons lentement de la gare, en regardant par la fenêtre, nous voyons le quai partir. Un adulte comprendra immédiatement que ce n’est pas une plate-forme qui bouge, mais un train. Cependant, Einstein s’est demandé : comment savons-nous cela ?
La réponse est la Terre. C’est ce que nous considérons comme stationnaire, et donc nous attribuons la vitesse aux objets par rapport à lui. Et si la Terre n’existait pas ? Comment savoir si notre vaisseau spatial se déplace ou si la station spatiale s’éloigne de nous ? La première chose qui me vient à l’esprit, ce sont les lois de la physique. Peut-être y a-t-il des règles qui tiennent compte de la vitesse, et de cette façon nous apprenons du cours des phénomènes si nous sommes debout ou en mouvement ?
Les meilleurs candidats sont les champs magnétiques et électriques. À l’école, nous avons appris qu’il s’agit vraiment d’une seule force – l’électromagnétisme. Les travaux du physicien néerlandais Hendrik Lorenz montrent que la lumière, qui est en fait un champ électromagnétique alternatif, doit toujours se déplacer à la même vitesse, quel que soit notre mouvement.
Comment vérifier? Sachant que la Terre se déplace (assez rapidement) autour du Soleil et autour de son axe, alors si la vitesse de la lumière dépend du mouvement, un faisceau de lumière se déplaçant d’ouest en est – et donc dans le sens du mouvement de la Terre – doit suivre le même chemin, différent du second, du nord au sud. Une telle expérience a été menée par les scientifiques américains Albert A. Michelson et Edward Morley. Et il s’est avéré que la vitesse de la lumière ne dépend pas vraiment de la direction de son mouvement.
Relativité restreinte
Le mouvement n’existe que dans le contexte de deux observateurs comparant leurs systèmes, il est toujours réciproque, et il est inutile de définir des systèmes au repos. Par conséquent, toutes les théories physiques correctes doivent être indépendantes de la vitesse et de la position, ainsi que du temps. S’il en était autrement, il serait possible de faire la distinction entre les systèmes mobiles et fixes.
Comment composer avec cette vitesse constante de la lumière ? Après tout, cela signifie que si la « balise » spatiale envoyait un signal lumineux et que nous frappions une fusée volant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et chassions ce signal, elle s’éloignerait tout aussi rapidement de nous et du phare . C’est paradoxal, mais pas l’imagination d’un enfant.
Si c’est le cas, soit la distance entre nous et le faisceau augmente, soit le temps ralentit pour nous. Le degré d’étirement de l’espace ou de dilatation du temps est proportionnel à la vitesse relative. Dans le cas de la poursuite de la lumière, l’espace s’étendra indéfiniment et le temps s’arrêtera.
Nous arrivons à un point où notre imagination peut ne plus nous suffire. Qu’est-ce que cela signifie que le temps s’arrêtera ? Allons-nous geler dans une position? Eh bien, non, nous vivrons normalement dans notre cadre de référence – mais nous nous sentirons comme des dieux existant en dehors du temps du reste de l’univers. Mais puisque le mouvement est relatif et mutuel, nous pouvons en dire autant du monde extérieur à nous. Qu’est-ce donc que la simultanéité ? Comment concilier le principe de cause à effet avec cela ?
Toutes les implications de la théorie de la relativité ne sont pas encore comprises. Einstein a nommé deux des plus importants. Tout d’abord, il est impossible d’atteindre la vitesse de la lumière. L’énergie nécessaire pour augmenter la vitesse augmente en raison inverse de la différence entre celle-ci et la vitesse de la lumière. Un objet se déplaçant à la vitesse de la lumière aura une énergie infinie. Mais puisque le mouvement est relatif, quelle est cette énergie ? Comme nous nous en souvenons à l’école, l’énergie du mouvement est proportionnelle à la vitesse et à la masse. Ainsi, Einstein a dit qu’il devrait être massif. De là, il a dérivé son équation la plus célèbre. E=mc^2 – la masse est une forme d’énergie au repos.
La seconde conclusion de la constance de la vitesse de la lumière est la nécessité d’intégrer le temps comme quatrième dimension dans l’espace tridimensionnel que nous connaissons, déjà décrit dans l’Antiquité par Euclide. Seul l’espace-temps ainsi créé, d’abord défini par le mathématicien allemand Hermann Minkowski, décrira correctement la physique. Un point dans l’espace-temps est un emplacement spécifique dans l’espace à un moment précis. Le segment d’espace-temps reliant deux de ses points est la distance entre deux événements.
Relativité générale
La masse n’est pas seulement une mesure de la force qui doit être appliquée pour mettre un objet en mouvement, et donc de son degré d’inertie. La masse est aussi la source de la gravité. Ces définitions renvoient à des phénomènes complètement différents. Peuvent-ils contenir la même quantité physique ? De tels « incidents » ne se produisent pas dans la nature.
L’expérience correspondante a été réalisée par le géophysicien hongrois Lorand Eötvös à l’aide d’un pendule de torsion. Il s’est avéré que les masses inertielle et gravitationnelle sont absolument égales. Pour Einstein, c’était la preuve que, comme les champs électriques et magnétiques, la gravité et l’inertie doivent suivre le même schéma. Sous l’influence d’une force, nous changeons la valeur ou la direction de notre vitesse, ce qui en physique s’appelle l’accélération. L’accélération est un changement de vitesse, et la vitesse est toujours relative. Puisque le mouvement lui-même est relatif, l’accélération doit également être relative.
Inspiré par l’exemple de la Terre, la surface courbe sur laquelle nous vivons et mesurons, Einstein savait qu’une surface plane n’était pas la seule possibilité permise par la géométrie. Si l’espace-temps à quatre dimensions n’était pas un plan, alors les trajectoires des objets dépourvus de toute interférence extérieure et, par conséquent, se déplaçant en ligne droite selon les lois classiques de la physique, devraient être courbes.
Dans certains systèmes, cela pourrait s’expliquer par la gravité, dans d’autres – par l’inertie, et dans le modèle – simplement par la courbure de l’espace. Deux trains circulant sur des voies parallèles adjacentes, ou sur la même voie mais à intervalle constant, peuvent entrer en collision.
Il a fallu repenser les notions de parallélisme et de direct, ainsi que la notion de temps. Puisque l’espace est courbe, la lumière doit également être courbée dans de telles courbes. Puisque la courbure doit provoquer des effets comme la gravité, chaque masse doit créer des inhomogénéités spatio-temporelles et ainsi, par exemple, influencer le passage du temps.
Beaucoup de ces conclusions ont été confirmées expérimentalement, comme l’écoulement irrégulier du temps au point le plus proche et le plus éloigné de l’orbite de Mercure, conduisant à ses changements lents, ou la capacité de voir des étoiles cachées derrière d’autres corps cosmiques massifs. Beaucoup d’autres sont encore en attente de confirmation.
