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Qu’est-ce que le continuum espace-temps ?

Nous percevons l’espace et le temps comme deux choses distinctes, mais la nécessité de les relier apparaît dès que l’on pense à des conditions proches de la vitesse de la lumière.

Le « continuum espace-temps » est l’un des concepts issus de la théorie de la relativité dont la plupart des gens ont entendu parler, mais qu’ils ne comprennent pas entièrement, tout comme la formule connexe E=mc2. Les articles scientifiques sensibilisent aux deux concepts, mais la science-fiction et les mèmes qui en découlent contribuent davantage à les maintenir dans la conscience des gens. Hélas, l’espace-temps est bien plus difficile à appréhender que la célèbre équation d’Einstein, mais cela ne signifie pas qu’il doive être considéré comme incompréhensible pour quiconque n’a pas de diplôme de physique.

Dans Life, the Universe and Everything, Douglas Adams s’est beaucoup amusé avec une discussion sur les « tourbillons dans le continuum espace-temps ». L’humour provient autant de l’idée que les gens ont généralement entendu parler du continuum sans vraiment savoir ce que c’est, que des jeux de mots et de l’absurdité.

Dans un sens, l’idée est simple : au lieu d’avoir trois dimensions d’espace, le temps étant quelque chose de complètement différent, l’espace-temps est une chose à quatre dimensions. Les événements sont représentés dans l’espace-temps par quatre coordonnées : trois sont basées sur l’endroit où l’événement se produit, par rapport à un point d’origine défini, et la quatrième est le moment où il se produit.

Bien qu’Einstein ait défini le concept d’espace-temps comme essentiel dans le cadre de la théorie de la relativité, les physiciens avaient déjà évoqué l’idée d’un espace-temps unifié dans lequel le temps était traité comme une quatrième dimension depuis plusieurs années, et en avaient même inventé le nom. Ils sont unis par la vitesse de la lumière (dans le vide), qui garantit que les effets d’un événement mettent du temps à se faire sentir dans d’autres lieux.

Le problème que cela pose à la plupart des gens est que nous percevons le temps de manière si différente de la longueur, de la largeur et de la hauteur que tout cela semble ridicule. Si, par exemple, nous nous rendons compte que nous sommes allés trop loin dans une direction donnée, nous pouvons généralement faire demi-tour et revenir en arrière. Nous aimerions qu’il en soit de même pour le temps. Ursula Le Guin a sournoisement proposé l’idée d’une anomalie dans le continuum espace-temps à partir de laquelle le temps s’écoule, puisqu’il ne semble jamais y en avoir assez, tout en notant que la même chose n’est pas observée pour les autres dimensions.

Les physiciens peinent à expliquer pourquoi le temps est si différent des autres dimensions. Néanmoins, son statut de quatrième dimension, bien que particulière, est prouvé. Nous savons également que le temps est lié aux trois autres dimensions, au point qu’il est souvent impossible de les mesurer avec précision l’une sans l’autre.

Dans les conditions que nous connaissons dans notre vie quotidienne, considérer l’espace et le temps comme distincts ne pose pas de problème, ce qui explique pourquoi l’idée d’espace-temps est si contre-intuitive. Cependant, si nous voyagions à une vitesse proche de celle de la lumière par rapport à un élément important pour nous, la situation serait très différente.

L’une des principales caractéristiques de la relativité restreinte est que le temps ralentit lorsque l’on se rapproche de la vitesse de la lumière, par rapport à l’expérience d’un observateur immobile. De même, à une vitesse proche de celle de la lumière, l’espace se contracte dans la direction du mouvement. Cela signifie que si une personne voyageant très vite devait mesurer deux événements et comparer ses résultats avec ceux d’une personne se déplaçant plus lentement, elle obtiendrait des séparations différentes à la fois dans l’espace et dans le temps. Cependant, en utilisant la vitesse de la lumière pour convertir les unités d’espace et de temps, les deux observateurs mesurent la même distance dans l’espace-temps (en supposant qu’ils mesurent avec précision).

De plus, ce continuum espace-temps peut être déformé, par exemple par de puissantes forces gravitationnelles qui affectent le temps autant qu’elles courbent l’espace. Bien que l’idée ait été controversée à l’époque où Einstein l’a proposée, il est aujourd’hui possible de vérifier la façon dont les grandes masses déforment l’espace-temps, par exemple en comparant les horloges en orbite avec celles qui se trouvent sur la Terre.

Les mesures des mouvements d’objets massifs, tels que les pulsars, les uns autour des autres confirment de plus en plus précisément les prédictions de la relativité générale concernant le fonctionnement de l’espace-temps. Ces mesures sont toujours effectuées, en partie parce qu’il existe des théories alternatives à la relativité générale. Cependant, comme ces théories acceptent également la nature du temps en tant que dimension et son existence dans un continuum avec les dimensions de l’espace, même si l’une des alternatives s’avérait finalement supérieure, cela n’invaliderait pas l’espace-temps.

Néanmoins, l’existence de ces théories concurrentes reflète le fait que, bien que nous sachions que le continuum espace-temps existe, il y a beaucoup de choses que nous ne comprenons pas à son sujet. L’incapacité des physiciens à réconcilier la relativité générale et la mécanique quantique est un point sensible depuis des décennies. Nombreux sont ceux qui ont suggéré que l’espace-temps quantifié pourrait être la solution, mais jusqu’à présent, personne n’a trouvé le moyen de les convaincre.

Adaptation Terra Projects

Source : https://www.iflscience.com/

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