Comprendre les effets de dilatation du temps en physique

Vitesse relative et effets gravitationnels sur le passage du temps

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La dilatation du temps est le phénomène où deux objets se déplaçant l'un par rapport à l'autre (ou même juste une intensité différente de champ gravitationnel l'un de l'autre) connaissent des rythmes d'écoulement de temps différents.

Dilatation temporelle de la vitesse relative

La dilatation du temps due à la vitesse relative découle de la relativité restreinte. Si deux observateurs, Janet et Jim, se déplacent dans des directions opposées et qu'ils se croisent, ils remarquent que la montre de l'autre personne tourne plus lentement que la leur. Si Judy courait aux côtés de Janet à la même vitesse dans la même direction, leurs montres tourneraient au même rythme, tandis que Jim, allant dans la direction opposée, les voit tous les deux avoir des montres à tic-tac plus lent. Le temps semble passer plus lentement pour la personne observée que pour l'observateur.

Dilatation gravitationnelle du temps

La dilatation du temps due au fait d'être à différentes distances d'une masse gravitationnelle est décrite dans la théorie générale de la relativité. Plus vous êtes proche d'une masse gravitationnelle, plus votre horloge semble ralentir pour un observateur plus éloigné de la masse. Lorsqu'un vaisseau spatial s'approche d'un trou noir d'une masse extrême, les observateurs voient le temps ralentir pour eux.

Ces deux formes de dilatation du temps se combinent pour un satellite en orbite autour d'une planète. D'une part, leur vitesse relative par rapport aux observateurs au sol ralentit le temps pour le satellite. Mais la plus grande distance de la planète signifie que le temps passe plus vite sur le satellite qu'à la surface de la planète. Ces effets peuvent s'annuler, mais peuvent également signifier qu'un satellite inférieur a des horloges plus lentes par rapport à la surface, tandis que les satellites en orbite supérieure ont des horloges qui fonctionnent plus rapidement par rapport à la surface.

Exemples de dilatation temporelle

Les effets de la dilatation du temps sont souvent utilisés dans les histoires de science-fiction, remontant au moins aux années 1930. L'une des expériences de pensée les plus anciennes et les plus connues à présenter la dilatation du temps est la célèbre Paradoxe des jumeaux , qui démontre les curieux effets de la dilatation du temps à son extrême.

La dilatation du temps devient plus apparente lorsque l'un des objets se déplace presque à la vitesse de la lumière, mais elle se manifeste à des vitesses encore plus lentes. Voici quelques façons dont nous savons que la dilatation du temps a réellement lieu :

• Les horloges dans les avions cliquent à des rythmes différents des horloges au sol.
• Placer une horloge sur une montagne (ce qui l'élève, mais la maintient immobile par rapport à l'horloge au sol) entraîne des taux légèrement différents.
• La Système de positionnement global (GPS) doit s'adapter à la dilatation du temps. Les appareils au sol doivent communiquer avec les satellites. Pour fonctionner, ils doivent être programmés pour compenser les différences de temps en fonction de leurs vitesses et des influences gravitationnelles.
• Certaines particules instables existent pendant une très courte période de temps avant de se désintégrer, mais les scientifiques peuvent observer qu'elles durent plus longtemps parce qu'elles se déplacent si rapidement que la dilatation du temps signifie que le temps que les particules 'éprouvent' avant de se désintégrer est différent du temps vécu dans le laboratoire au repos qui effectue les observations.
• En 2014, une équipe de recherche a annoncé la confirmation expérimentale la plus précise de cet effet jamais conçue, comme décrit dans un Scientifique Américain article. Ils ont utilisé un accélérateur de particules pour confirmer que le temps se déplace plus lentement pour un mouvement l'horloge que pour un stationnaire.