La dilatation du temps, sous la forme du soi-disant Twin Paradox, est un élément d’intrigue populaire et de longue date dans la science-fiction, remontant au moins au roman YA classique de Robert Heinlein. “Le temps des étoiles” publié pour la première fois en 1956.
Dans le roman, l’un des deux frères jumeaux entreprend un voyage d’exploration interstellaire à bord d’un navire capable de voyager presque à la vitesse de la lumière. L’autre reste sur Terre. Lorsque le vaisseau spatial revient et qu’ils se retrouvent, le protagoniste vedette est encore jeune, tandis que son frère jumeau a vieilli.
Le phénomène sous-jacent, la dilatation relativiste du temps, n’est pas seulement une conséquence fondamentale de la théorie de la relativité d’Einstein. Il a également été démontré expérimentalement à de nombreuses reprises, comme le Institut national des normes et de la technologie fait remarquer.
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La découverte de la dilatation du temps et de la théorie de la relativité lui-même a des racines remontant à des générations au-delà du roman de Heinlein, jusqu’à la fin du 19e siècle. Selon Espace.comen 1887, un physicien et un chimiste – Albert Michelson et Edward Morely, respectivement – ont tenté de déterminer le mouvement précis de la Terre à travers l’univers en mesurant la vitesse de la lumière observée dans différentes directions.
À l’époque, les physiciens supposaient que l’espace avait un cadre géométrique fixe, appelé «éther», que la lumière traversait et que la Terre traversait également, en orbite autour du soleil et également entraînée par le mouvement du soleil dans l’espace interstellaire.
Mais à la surprise de Michelson et Morely, leurs instruments ont mesuré la vitesse de la lumière comme la même dans toutes les directions. Ils ont vérifié leurs instruments; ceux-ci ont bien fonctionné mais ont toujours donné les mêmes résultats. Les physiciens ont été laissés perplexes pendant près de 20 ans, jusqu’à ce qu’un jeune Albert Einstein propose une explication qui semblait complètement bizarre mais qui fonctionnait également.
Einstein a montré que la vitesse de la lumière EST vraiment la même pour tous les observateurs, peu importe où ils se trouvent ou à quelle vitesse ils vont. L’« éther » cosmique rigide que Michelson et Morely avaient pris pour acquis n’existait pas. Au lieu de cela, nos instruments de mesure – à la fois les étalons et les horloges, ainsi que tout le reste de l’univers – se sont avérés être “caoutchouteux” dans un sens, semblant s’étirer ou se rétrécir de sorte que la vitesse mesurée de la lumière soit toujours la même.
Et en 1905, Einstein a publié ses résultats, l’appelant la théorie de la relativité restreinte.
Qu’y a-t-il de si spécial dans la relativité restreinte ?
La théorie originale d’Einstein s’appelait la relativité « restreinte » parce qu’elle n’essayait pas de tout couvrir. Il ne traitait que des effets des vitesses élevées sur la matière, laissant de côté les implications de l’accélération ou de la gravité et, par conséquent, n’était formellement applicable qu’à des cas particuliers.
Néanmoins, une grande partie de ce que la culture populaire associe à Einstein et à la relativité – y compris la vitesse de la lumière comme limite de vitesse cosmique et la célèbre équation E = mc2 — entre dans le cadre de la relativité restreinte. Cela inclut également les effets de dilatation temporelle des vitesses (relatives !) très élevées, y compris le « Twin Paradox » du voyage interstellaire à des vitesses relativistes.
En 1915, Einstein élargit son travail pour incorporer la gravité et l’accélération ; cette version élargie et « généralisée » de la théorie a été appelée à juste titre relativité générale. Cependant, pendant des décennies, la relativité générale a été considérée comme un peu comme la galaxie d’Andromède – géniale mais éloignée, loin de toute application pratique. Comme Univers aujourd’hui note, la plus grande renommée de la relativité générale dans la culture populaire était que seule une poignée de personnes dans le monde pouvait la comprendre.
Au fil du temps, cependant, la relativité générale est devenue un peu moins abstruse. La découverte des trous noirs – des objets si denses et massifs que même la lumière ne peut s’en échapper – a été une grande victoire : l’une des prédictions théoriques les plus étranges de la relativité générale s’est avérée réelle.
Trous noirs et dilatation du temps
Il s’avère que la relativité générale a également ses propres implications pour la dilatation du temps. En relativité générale, la force de gravité est indiscernable de l’accélération, et les deux peuvent ralentir les horloges (mesuré par un observateur extérieur). Si l’un des deux jumeaux tournait autour de l’horizon des événements d’un trou noir, cette personne vieillirait plus lentement que son frère resté sur terre.
Nous n’avons pas (encore !) la technologie pour y parvenir, pas plus que nous ne pouvons réaliser la dilatation temporelle « à l’ancienne » d’un voyageur se déplaçant presque à la vitesse de la lumière. Mais par Actualités scientifiques, les horloges atomiques ont atteint un niveau de précision si élevé que nous pouvons mesurer le glissement de la dilatation du temps entre des horloges distantes d’un millimètre (environ 1/25 de pouce). L’horloge qui est un millimètre plus bas (plus proche de la gravitation terrestre) fonctionne un tout petit peu plus lentement, comme le prédit la relativité générale.
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