Invariance de la vitesse de la lumière : un détail source de bouleversement

Dans un milieu homogène, la vitesse de la lumière est constante, indépendamment du mouvement ou de la direction de la source émettrice. Elle est de l’ordre de 300 000 kilomètres par seconde. Tel est l’un des principes sur lequel repose la théorie de la relativité. Elle s’appuie aussi sur un deuxième principe : aucun objet ne peut dépasser la vitesse de la lumière.

Conséquence de l’invariance de la vitesse de la lumière : un temps qui se détend et se contracte…

Si nous marchons sur un tapis roulant à une certaine vitesse, notre vitesse de marche par rapport à une personne immobile correspond à celle du tapis à laquelle s’ajoute la vitesse du marcheur par rapport au tapis. C’est ce que nous appelons la composition des vitesses. Imaginons maintenant que nous marchions à la vitesse de la lumière par rapport au tapis. Alors, compte tenu des deux principes exposés, par rapport à notre observateur immobile ou par rapport au tapis, nous marchons exactement à la même vitesse comme si finalement le tapis roulant n’avait aucun effet sur le marcheur.

La vitesse est le rapport entre une distance parcourue par un mobile et la durée de son déplacement. Le temps se mesure à l’aide d’une horloge, la distance à l’aide d’un étalon de mesure. Si une voiture roule à 50 km/h, elle parcourra 50 kilomètres en une heure. Si nous disons que la vitesse est constante, cela signifie que le rapport entre la distance et la durée est exactement constant. Si la vitesse de la lumière ne varie pas en fonction du référentiel choisi, nous en déduisons que ce rapport est constant quelque soit l’état de l’observateur. Or la distance varie en fonction du référentiel. Par rapport à une gare, un voyageur assis dans un train en mouvement parcourt une distance égale à celle du train alors que son déplacement par rapport au conducteur du train est nul. Si la distance varie et que la vitesse ne varie pas en fonction du référentiel, nous en déduisons logiquement que la durée du mouvement varie en fonction du référentiel de manière opposée à la variation de la distance. Si la distance croît, la durée décroit, et inversement. Plus le mouvement est rapide, plus la montre ralentit !…

Qu’est-ce que cela signifie ? Revenons au tapis roulant. Vu d’un observateur immobile, le marcheur a parcouru la longueur du tapis. Vu du tapis, la distance qu’il a effectivement parcourue est plus faible que celle du tapis. C’est effectivement le but du tapis roulant. Ne pas trop se fatiguer… Donc comme la variation de la durée est opposée à celle de la distance, la durée du déplacement du marcheur est plus courte dans le référentiel de l’observateur que dans le référentiel du tapis. En un mot, soit le temps se contracte dans le référentiel de l’observateur, soit il se détend dans le référentiel du tapis. 

Renversement de regard

Newton a introduit la notion de mouvement en donnant comme principe qu’il était relatif à un référentiel. Depuis, nous étudions tout mouvement en fonction d’un repère et des trois dimensions de l’espace (longueur, largeur, profondeur). Dans cette physique, le temps est représenté par une unique variable à une dimension. Ainsi, avons-nous l’habitude de tracer le temps sous forme d’une droite, chaque point de la droite représentant un instant. Newton a aussi pris comme principe que ce temps était absolu, invariant par rapport à un référentiel. L’invariance de la vitesse de la lumière rend ce principe caduc. 

Newton a en fait défini la vitesse à partir de la distance et de la durée de déplacement, considérées comme principes premiers de sa théorie. Or, avec une vitesse fixe de la lumière, la vitesse devient principe premier. Variables en fonction de la vitesse de l’observateur, la distance et la durée du mouvement se définissent donc désormais en fonction de la vitesse, et non l’inverse. Nous renversons le regard de la physique classique. 

Définitions variables du temps physique

La notion du temps physique est apparue avec Newton. Ses successeurs ont su élaborer des opérateurs capables de la manipuler. Mais qu’est-ce que finalement le temps dans la physique classique ? 

Horloge atomique

La seconde a été initialement définie comme la 1/86 400ième partie du jour solaire moyen, la durée du jour évoluant entre 23 h 59 min 39 s et 24 h 00 min 30 s. Elle correspond au « temps universel ». Mais la durée du jour variant, les scientifiques lui ont donné en 1956 une autre définition : 1/31 556 925, 9747ième de la durée de l'année tropique, c’est-à-dire la durée séparant deux équinoxes de printemps successives. Le temps correspondant est le « temps des Éphémérides ». Cette définition n’est encore guère fiable. En 1967, on a trouvé une meilleure définition du temps. Au lieu de prendre comme repère l’espace céleste, les scientifiques vont la rechercher dans l’infiniment petit à partir de mécanismes atomiques très précis. La durée ainsi calculée ne varie d’une seconde tous les 1 500 000 ans. Cette nouvelle définition de la seconde donne le « temps atomique international ».

Que pouvons-nous conclure de ces différentes définitions du temps ? Le temps manipulé par la physique n’est finalement que la mesure de l’évolution temporelle d’un phénomène physique. C’est le tic-tac « immuable » d’une horloge. Nous recherchons le mouvement temporel le plus régulier possible à travers le temps. Mais est-ce du temps ? Ce n’est que la traduction mécanique d’un mouvement qui perdure régulièrement dans le temps. Le temps physique n’est que la succession du tic et du tac de l’horloge… 

Confirmation expérimentale de la variation du temps

Quand nous disons que le temps varie en fonction du référentiel, nous disons en fait que ce mouvement régulier accélère ou ralentit en fonction du mouvement de l’observateur. Une expérience a été menée pour confirmer ou non l’hypothèse. Deux horloges précises parfaitement synchrones, à l’abri de toute secousse, ont fonctionné en même temps, l’une immobile sur la terre, l’autre immobile dans un avion volant à une vitesse très élevée. Il a été découvert qu’effectivement, l’horloge disposé dans l’avion était en retard par rapport à sa consœur, restée sur terre. 

Cette variance du temps physique n’est pas perceptible à notre échelle puisque il faut atteindre une vitesse élevée pour qu’elle soit sensible. Néanmoins, elle est utilisée dans de nombreuses applications comme la géolocalisation par le GPS.

Le temps physique, tel qu’il a été formalisé et retenu par la Science, n’est que la mesure de la variation temporelle du mouvement. Comme le mouvement spatial d’un objet, cette variation varie en fonction du référentiel. Plus un objet est en mouvement, plus le temps associé ralentit. Telle est donc la conclusion qui a été tirée de l’invariance de la vitesse de la lumière.