Notes sur la fin des étoiles en astronomie: la relativité restreinte, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez9 January 2014

Notes sur la fin des étoiles en astronomie: la relativité restreinte, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur la fin des étoiles en astronomie: la relativité restreinte. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: La vitesse de la lumière, La simultanéité en relativité restreinte.
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La fin des étoiles en astronomie :

Relativité restreinte

Albert Einstein développa la relativité restreinte à partir de deux principes de base. D'abord, les

lois de la physique devaient être les mêmes dans tous les systèmes de référence, pourvu qu'ils

ne soient pas soumis à une accélération. Aucun système n'était privilégié et il n'existait rien de

tel qu'un espace absolu. Ensuite, la vitesse de la lumière devait être une constante fixe. Elle ne

dépendait pas du mouvement de la source d'émission. Tous les observateurs, quel que soit leur

mouvement, devaient mesurer la même valeur.

La vitesse de la lumière

Ce deuxième principe peut paraître étonnant. En effet, dans la vie de tous les jours, nous

sommes habitués à ce que les vitesses s'additionnent ou se soustraient, selon le cas. Imaginons

que je me trouve dans un train qui roule à 90 kilomètres à l'heure. Je décide d'aller vers l'avant

et me mets à marcher à 10 kilomètres à l'heure par rapport au train. Pour un observateur

extérieur, qui m'observe assis dans un pré, les vitesses s'additionnent et j'avance en fait à 100

kilomètres à l'heure par rapport au sol. La vitesse est donc une grandeur relative qui dépend du

cadre de référence dans lequel elle est mesurée.

Mais ce qui est vrai dans la vie quotidienne ne l'est plus lorsque l'on considère la lumière.

Imaginons maintenant qu'un photon, qui se déplace à la vitesse de la lumière dans un

laboratoire, en émette un autre par quelque processus physique. Si les deux photons se

dirigent dans le même sens, on s'attendrait à ce que le deuxième se déplace au double de la

vitesse de la lumière par rapport au laboratoire. En fait, il n'en est rien, le deuxième photon se

déplace exactement à la vitesse de la lumière par rapport au laboratoire. Ceci peut paraître

étonnant, mais découle directement de l'expérience de Michelson. Celle-ci montre en effet que

la lumière se propage de la même façon dans les directions parallèle et perpendiculaire au

mouvement de la Terre. Sa vitesse est donc identique dans les deux directions et insensible à la

distinction introduite par le déplacement de la Terre sur son orbite. De nombreuses autres

expériences ont d'ailleurs confirmé cet état de fait.

Albert Einstein : Ulm, 1879 - Princeton, 1955

La simultanéité en relativité restreinte

L'alliance des deux principes précédents allait révolutionner la physique et notre conception de

l'espace et du temps. Pour illustrer les principales conséquences de la relativité restreinte, nous

allons imaginer qu'avec un de vos amis, vous formiez une équipe d'astronautes chargés de

vérifier les prédictions de la théorie. Votre ami se trouvera dans une navette spatiale pourvue de

propulseurs très puissants lui permettant d'atteindre une vitesse proche de celle de la lumière.

Vous-mêmes serez à bord d'une station spatiale éloignée de tout champ gravitationnel. Votre

ami effectuera plusieurs passages à grande vitesse devant la station spatiale, en prenant bien

soin à chaque fois de couper ses moteurs et donc de se déplacer à vitesse constante. Dans ces

conditions, vous serez tous les deux dans des cadres de référence non accélérés et les deux

principes d'Albert Einstein pourront vous être appliqués.

Commençons par la simultanéité. Dans la vie de tous les jours, deux événements simultanés le

sont pour tout le monde. Si vous apercevez deux lampes s'allumer en même temps, n'importe

quel autre observateur les verra également se mettre à briller au même moment. Pourtant, ce

n'est plus le cas en relativité restreinte comme nous allons le voir. Lors de son premier passage,

au moment précis où il passe juste devant vous, votre ami fait l'expérience suivante. Il se

positionne exactement au centre de sa navette, allume une lampe et observe la propagation de

la lumière vers l'avant et l'arrière du vaisseau. Puisqu'il se trouve exactement au centre de celui-

ci, il vérifie bien que la lumière de la lampe atteint les deux extrémités de la navette au même

moment, de façon simultanée.

Depuis la station spatiale, vous observez cette expérience et essayez également de déterminer

le moment auquel la lumière atteint les parois de la navette. Mais les choses ne sont plus aussi

simples car, pour vous, le vaisseau est en mouvement. L'arrière de la navette avance et se

précipite vers les rayons lumineux provenant de la lampe, alors que l'avant au contraire

s'éloigne et tend à retarder le moment de la rencontre. Pour vous, les rayons de la lampe

atteignent donc l'arrière de la navette avant de toucher l'avant. Les deux événements, qui

étaient simultanés pour votre ami, ne le sont pas pour vous.

Ainsi, avec la relativité restreinte, la simultanéité n'est plus un concept absolu. Si un

observateur voit deux événements se produire simultanément en deux endroits distincts, un

autre, en mouvement par rapport au premier, verra l'un des deux événements se produire en

premier. Et un troisième observateur, se déplaçant en sens opposé, verra le deuxième

événement arriver d'abord. Un phénomène plutôt étonnant, mais dont les conséquences ont

maintes fois été vérifiées lors d'expériences, comme nous le verrons plus tard.

Cette perte de la simultanéité universelle a pour conséquence l'abandon de la notion de temps

absolu. En effet, comment pourrait-on encore parler d'un temps absolu, indépendant de toute

influence extérieure, si différents observateurs sont incapables de se mettre d'accord sur la

chronologie de deux événements ?

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