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1. Mise en scène

Imaginez deux horloges parfaitement synchronisées. Placez-en une dans un vaisseau filant à grande vitesse et laissez l’autre sur Terre. À la réunion, surprise : elles n’affichent plus la même heure. Comment est-ce possible ? Grâce à la relativité de la simultanéité.

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2. Relativité de la simultanéité : que signifie « maintenant » ?

Deux observateurs en mouvement relatif ne s’accordent pas sur le caractère simultané de deux événements. Ce qui est instantané pour l’un ne l’est pas pour l’autre, à cause des transformations de Lorentz.

Rappel mathématique (transformations de Lorentz)

$$ t = \gamma\Bigl(t_0 + \dfrac{v\,x_0}{c^{2}}\Bigr), \quad x = \gamma\bigl(x_0 + v\,t_0\bigr) \\[4pt] \text{où}\quad \gamma = \dfrac{1}{\sqrt{1 - v^{2}/c^{2}}} $$

Pour la déduction complète, voyez L’invariant espace-temps : de Minkowski à 𝐸² = 𝑝²𝑐² + 𝑚²𝑐⁴.

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3. Dilatation du temps : la durée dépend de la vitesse

Historique : en 1971, Joseph Hafele et Richard Keating ont fait le tour du monde avec des horloges atomiques ; comparées à celles restées au sol, elles ont confirmé la dilatation temporelle d’Einstein.

$$ \Delta t = \gamma\,\Delta \tau \quad\text{où}\quad \gamma = \dfrac{1}{\sqrt{1 - v^{2}/c^{2}}} $$

• $\Delta \tau$ : temps propre, mesuré par l’observateur au repos.
• $\Delta t$ : temps mesuré par l’observateur voyant l’événement en mouvement.

Exemple classique : les muons des rayons cosmiques (vie propre 2,2 µs) parviennent au sol grâce à la dilatation du temps vue depuis la Terre.

En physique classique, additionner des vitesses est un jeu d’enfant. Si une Mustang 🐎 roule à \(100\ \mathrm{km/h}\) et lance une balle vers l’avant à \(20\ \mathrm{km/h}\) (par rapport à la voiture), un observateur fixe la verra à \(120\ \mathrm{km/h}\). Facile, non ? Mais lorsque Einstein est arrivé, ces additions confortables ont volé en éclats.

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Pourquoi n’additionne-t-on pas les vitesses normalement ?

La relativité restreinte nous impose une autre formule aux vitesses proches de celle de la lumière :

$$ u = \frac{u' + v}{1 + \dfrac{u'\,v}{c^2}} $$

• \(u\) est la vitesse résultante, mesurée dans le référentiel fixe.
• \(u'\) est la vitesse de l’objet dans le référentiel mobile.
• \(v\) est la vitesse du référentiel mobile par rapport au fixe.
• \(c\) est la vitesse de la lumière (\(299{,}792{,}458\ \mathrm{m/s}\)).

Cette formule garantit que l’on ne dépasse jamais \(c\), préservant ainsi la cohérence de l’univers !

Par exemple, si un vaisseau voyage à \(0{,}8c\) et lance une sonde à \(0{,}7c\) par rapport à lui, la vitesse mesurée de l’extérieur n’est PAS \(1{,}5c\). C’est :

$$ u = \frac{0{,}7c + 0{,}8c}{1 + 0{,}7\times0{,}8} = \frac{1{,}5c}{1 + 0{,}56} \approx 0{,}96c $$

Vite oui ; plus vite que la lumière, jamais !

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Le paradoxe de l’échelle 🪜 🏠

Cette logique relativiste produit des situations à la fois amusantes et déconcertantes, comme le paradoxe de l’échelle (ou « paradoxe de la grange »).

Imaginez une échelle trop longue pour tenir dans votre garage. Normalement, c’est impossible, n’est-ce pas ? Mais faites avancer l’échelle à grande vitesse vers le garage : pour l’observateur fixe, l’échelle se contracte suffisamment pour y rentrer entièrement ! Pourtant, pour celui qui monte sur l’échelle, c’est le garage qui s’est encore plus rétréci !