Synchroniser des horloges
Il nous reste une étape absolument capitale à franchir avant de comprendre pourquoi, si on veut concilier les deux premier postulats d'Einstein:
- Les lois de la physique ont la même forme dans tous les référentiels galiléens.
- La vitesse de la lumière dans le vide a la même valeur dans tous les référentiels galiléens.
nous seront conduits à relativiser nos conceptions intuitives de l'écoulement du temps et à les abandonner totalement pour les très grandes vitesses.
Comme nous avons commencé à le voir sur la question des mesures de longueurs et sur celle de l'universalité de la vitesse de la lumière dans le vide, nous allons avoir besoin d'une méthode permettant d'affirmer que deux événements distants se sont produits simultanément, autrement dit au même moment.
Dans la vie courante, évidemment, on ne se pose pas cette question. Si nous les voyons au même moment, on peut raisonnablement considérer qu'ils se sont produits au même moment. Pourtant, nous le savons maintenant, ça ce marche pas aux échelles astronomiques. Si, en regardant un coucher de soleil, nous voyons une vague se briser sur le rivage, nous savons, même si nous n'y pensons pas, que la lumière qui vient de la vague a mis une infime fraction de seconde pour parvenir jusqu'à nos yeux alors que celle qui vient du Soleil a mis 7 minutes pour parvenir jusqu'à nous.
Alors, comment affirmer que deux événements se sont produits au même moment? Pour résoudre cette difficulté, Einstein a proposé une méthode simple, logique et rigoureuse, connue depuis sous le nom de "synchronisation d'Einstein".
Synchronisation d'Einstein
Le gif animé ci-dessous montre le principe de la synchronisation d'Einstein. Nous allons la détailler étape par étape.
Tout d'abord, cette synchronisation d'Einstein ne sera possible que si on fait l'"hypothèse raisonnable" que la vitesse de la lumière reste la même tout le temps et partout. Si dans la partie droite de l'écran, par exemple, la lumière devenait de temps en temps plus lente que dans la partie gauche, tout ça ne marcherait plus. Par la suite, nous aurons besoin d'autre "hypothèse raisonnable" de ce genre, mais pour le moment celle-ci suffira.
En fait, si vous êtes observateurs, vous avez peut-être répéré que dans mon animation, il y a déjà une autre "hypothèse raisonnable", à savoir que la vitesse de la lumière est la même dans toutes les directions et à l'aller comme au retour. Cette hypothèse n'est pas indispensable pour le moment mais je l'ai faite dès le début, histoire de simplifier les dessins.
Au début du processus, toutes les horloges sont à zéro.
Dans un premier temps, on déclenche celle du milieu et en même temps[1], on envoie des rayons lumineux vers les autres horloges.
Quand une seconde s'est écoulée à l'horloge du centre, les rayons arrivent sur les autres horloges. Mais ça, pour le moment on ne peut pas le savoir au niveau d'aucune des horloges: Un observateur placé au niveau de l'horloge centrale ne peut pas savoir que son rayon lumineux est déjà arrivé sur celle de gauche, par exemple, et un observateur placé au niveau de l'horloge de gauche ne peut pas savoir depuis combien de temps le rayon est parti de celle du centre.
Les horloges qui ont reçu les rayons sont équipées de miroirs et elles ont renvoyé les rayons à l'expéditeur, au bout de 2 secondes, ces rayons lui reviennent. L'expéditeur sait donc maintenant que l'aller-retour prend 2 secondes, mais ça, les trois autres horloges n'en savent toujours rien.
Maintenant, les rayons sont revenus aux trois autres horloges. Un observateur placé à leur niveau peut maintenant savoir que l'aller-retour prend 2 secondes. Et comme le rayon a parcouru trois fois la distance, il peut en conclure que l'horloge centrale marquait 3 secondes de moins que maintenant. Il règle donc son horloge sur 3 secondes, et il renvoie le rayon.
Les horloges sont maintenant synchronisées, comme le montre la suite de l'animation.
C'est très important de ne pas aller trop vite et de prendre le temps de bien comprendre ce processus, parce que nous devrons y revenir quand les choses commenceront à devenir vraiment bizarres.
Notes et références
- ↑ Ici, on peut dire "en même temps" parce que nous sommes aussi au même endroit. C'est au final un seul événement, un seul point, dans l'espace-temps: À cet instant là, l'horloge a été déclenchée et au même endroit, on lancé les rayons lumineux. En relativité, la question du "en même temps" est toujours relative, sauf quand deux choses se passent au même moment ET au même endroit.
Pour aller plus loin
- Synchronisation d'Einstein sur Wikipédia
À suivre...
- Chapitre suivant: Ralentissement des horloges en mouvement
Sommaire de la série: Quantique et relativité pour les francs-maçons