La contraction de l’espace et l’espace-temps


La contraction de l’espace

Si le temps est affecté par le mouvement, l’espace l’est également. Einstein a montré que la dilatation du temps s’accompagnait d’une contraction de l’espace. Tout observateur qui regarde un objet en mouvement voit l’une des dimensions de celui-ci diminuer. La dimension en question est celle que l’on mesure dans la direction parallèle au déplacement, les autres n’étant pas affectées.

Imaginez un objet d’une longueur de 60 mètres et d’une largeur de 10 mètres au repos. Lorsque cet objet se déplace devant vous à 75 pour cent de la vitesse de la lumière dans la direction de sa longueur, vous le verrez toujours large de 10 mètres, mais long de 40 au lieu de 60.

Le concept d’espace-temps

L’indissociabilité de l’espace et du temps ont amené les physiciens à les associer pour former un concept plus général. D’après Newton, l’espace et le temps étaient deux notions totalement indépendantes qui pouvaient exister l’une sans l’autre. Il était par exemple naturel de parler de la position d’un corps sans faire référence au moment où celle-ci était mesurée.

Mais en relativité les deux notions vont de pair, elles sont indissociables. Pour cette raison, cette théorie ne peut considérer que des événements, c’est-à-dire des actions qui se produisent en un lieu précis et à un moment donné. Parler de l’espace ou du temps indépendamment l’un de l’autre n’a plus de sens. En conséquence, les physiciens unifient les deux concepts dans une structure plus générale à quatre dimensions, trois pour l’espace et une pour le temps, appelée l’espace-temps.

Minkowski

Hermann Minkowski : Alexotas, 1864 – Göttingen, 1909. Auteur de l’interprétation de la relativité restreinte en termes de géométrie de l’espace-temps

Une masse relative

Une autre conséquence de la relativité restreinte concerne la masse. Tout comme le temps et l’espace, la masse d’un objet dépend de la vitesse de l’observateur qui la mesure. Un objet d’un kilogramme qui se déplace à 98 pour cent de la vitesse de la lumière se comporte comme s’il en avait en fait cinq.

Cette augmentation de la masse est la raison pour laquelle la vitesse d’un objet est toujours inférieure à celle de la lumière. En effet, plus un corps va vite, plus il est massif et plus l’énergie nécessaire pour l’accélérer est grande. Lorsque sa vitesse est proche de celle de la lumière, sa masse est énorme et un apport d’énergie ne provoque plus qu’une faible accélération.

Pour atteindre la vitesse de la lumière elle-même, l’énergie requise est infinie, ce qu’il est bien sûr impossible de fournir. Ainsi, un corps massif ne peut jamais strictement atteindre la vitesse de la lumière. Ce raisonnement ne s’applique cependant pas aux photons car ils ont une masse nulle et peuvent donc bien se déplacer à la vitesse de la lumière.


Page mise à jour le 30 août 2017 par Olivier Esslinger