Comment comprendre la théorie de la relativité?
Cette découverte a conduit à la première des deux théories de la relativité d'Einstein: la relativité restreinte et la relativité générale.
Lorsque les gens entendent l'expression «Théorie de la relativité», ils pensent généralement à Albert Einstein et à des équations mathématiques complexes comme e=mc2{\displaystyle e=mc^{2}} . Mais de nombreux scientifiques ont joué un rôle dans le développement de la théorie. En apprenant l'histoire et les applications pratiques de la relativité, vous pouvez acquérir une compréhension de ce sujet compliqué.
Méthode 1 sur 4: apprendre l'histoire de la relativité
- 1Commencez par Galilée. Le scientifique du XVIe siècle Galileo Galilei est considéré comme l'un des fondateurs de la science moderne. Ses recherches sur la mécanique des chutes d'objets et des projectiles en mouvement ont conduit à sa formulation de la première théorie moderne de la relativité et ont soulevé la question connue sous le nom de «problème de la relativité». Alors comment comprendre le problème de la relativité?
- Imaginez deux personnes observant le même événement. Par exemple, lors d'un match de baseball, deux personnes assises de part et d'autre du stade regardent le frappeur frapper un coup de circuit. Le temps du home run sera le même sera le même pour les deux observateurs tandis que la distance qui les sépare sera différente. Les deux fans ont été témoins du même événement l'un par rapport à l'autre.
- Imaginez une personne conduisant une voiture à 60 miles par heure. Le conducteur roule à 0 mille à l'heure par rapport à la voiture, mais pour un observateur extérieur, le conducteur roule à 60 milles à l'heure. La vitesse du conducteur change par rapport au point de vue de l'observateur.
- 2Continuez avec sir isaac newton. Au XVIIe siècle, Isaac Newton était étudiant à l'université de Cambridge. Lorsque Cambridge a fermé ses portes pendant deux ans en raison de la peste noire, Newton a continué à étudier seul les mathématiques, la physique et l'optique complexes. Pendant ce temps, il a développé le concept de calcul des séries infinies et a jeté les bases de ses trois lois du mouvement. Finalement, Newton étudierait comment les lois du mouvement étaient liées au mouvement de la Terre, du Soleil et de la Lune, un concept qu'il appellerait «gravité». Quelles sont les applications pratiques des lois du mouvement?
- Découvrez la première loi du mouvement sur le terrain de jeu. La première loi du mouvement de Newton est connue sous le nom de loi d'inertie, qui stipule que chaque objet restera au repos ou en mouvement uniforme en ligne droite à moins qu'il n'agisse sur une force externe. Par exemple, une personne au sommet d'une planche coulissante y restera jusqu'à ce qu'elle se pousse (ou soit poussée) vers le bas de la planche. Ils resteront en mouvement jusqu'à ce qu'ils s'arrêtent en atteignant le bas de la glissière.
- Faites le calcul pour la deuxième loi du mouvement. Dans la première loi, Newton a présenté la théorie selon laquelle un objet en mouvement reste en mouvement et un objet au repos reste jusqu'à ce qu'une force extérieure les affecte. La deuxième loi de Newton va encore plus loin en déterminant la force nécessaire pour changer l'état de l'objet. Il indique qu'un objet soumis à une force externe va accélérer et que la quantité de l'accélération est proportionnelle à la taille de la force. Par exemple, un semi-remorque de 40 tonnes nécessitera plus de force pour atteindre une vitesse de 60 milles à l'heure qu'une voiture compacte de 2 tonnes n'en aura besoin. La force exacte peut être déterminée par la formule mathématique force=masse x accélération, abrégée en f=ma{\displaystyle f=ma} .
- Observez la troisième loi du mouvement. La troisième loi du mouvement de Newton stipule que pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. En termes simples, un objet pousse contre un autre objet, le deuxième objet repousse tout aussi fort. Parfois, la troisième loi n'est pas évidente, comme lorsque vous êtes immobile. La gravité pousse vers le bas sur le sol, tandis que le sol repousse avec une force égale. Comme il n'y a pas de mouvement, les forces s'annulent. Avec une force plus grande et des objets plus massifs, la troisième loi est plus apparente, comme lorsqu'une fusée est lancée. Lorsque le moteur brûle du carburant, la poussée vers le bas pousse la fusée vers le haut.
- 3Voyage à travers l'éther.
- Segue au 19ème siècle. Depuis l'époque d'Isaac Newton, les scientifiques ont émis l'hypothèse que l'univers était rempli d'un milieu qu'ils appelaient l'éther. Les ondes lumineuses et radio traversent l'éther de la même manière que les ondes sonores traversent l'air. Au 19ème siècle, les scientifiques avaient trouvé des moyens de mesurer les propriétés de l'éther et espéraient créer une théorie décrivant l'univers.
- Mesurez la lumière. En 1887, les physiciens Albert Michelson et Edward Morley ont tenté de prouver l'existence de l'éther à l'aide d'un instrument conçu par Michelson connu sous le nom d'interféromètre, composé d'une plaque de verre à moitié argentée, de deux miroirs et d'un télescope. En dirigeant un faisceau vers la plaque de verre, le faisceau serait divisé et les deux faisceaux atteindraient les deux miroirs à des moments différents, selon la direction dans laquelle ils se déplaçaient par rapport à l'éther. Le résultat inattendu fut que les deux faisceaux atteignirent les miroirs en même temps, sans prouver l'existence de l'éther. Michelson considérait son expérience comme un échec. Mais ce serait une pièce maîtresse dans le travail d'un jeune clerc de l'Office suisse des brevets.
- 4Rencontrez Albert Einstein. En 1905, Albert Einstein travaillait à l'Office des brevets à Berne, en Suisse. Pendant ce temps, Einstein a publié quatre articles déterminant que la vitesse de la lumière était constante dans le vide, ce qui a également réfuté l'existence de l'éther. Cette découverte a conduit à la première des deux théories de la relativité d'Einstein: la relativité restreinte et la relativité générale.
La théorie de la relativité restreinte d'Einstein est appelée ainsi parce qu'elle s'applique au cas particulier des objets se déplaçant à une vitesse constante.
Méthode 2 sur 4: comprendre la relativité restreinte
- 1Découvrez votre cadre de référence. Les recherches d'Einstein ont montré qu'il n'y avait pas de cadre de référence «absolu» dans le monde naturel. Tant qu'un objet se déplace en ligne droite à une vitesse constante (sans accélération), les lois de la physique sont les mêmes pour tout le monde.
- Imaginez être dans un train. En regardant par la fenêtre, vous voyez un autre train qui semble bouger. Sur la seule base de cette observation, il est impossible de dire si votre train ou l'autre train est en mouvement. La même chose est vraie pour toute personne dans le train que vous observez.
- 2Comprendre la vitesse de la lumière. L'expérience Michelson-Morley n'a pas réussi à prouver l'existence de l'éther, mais a prouvé que la lumière se déplace à une vitesse constante, quel que soit le cadre de référence d'un observateur. Einstein a en outre postulé qu'à mesure qu'un objet approchait de la vitesse de la lumière, sa masse augmenterait, devenant finalement infinie lorsqu'il atteignait la vitesse de la lumière.
- 3Comprendre l'espace-temps. Alors qu'Einstein recherchait les propriétés de la lumière, il s'est rendu compte que si la vitesse de la lumière était une constante absolue, alors le temps et l'espace devaient être des variables. Dans le monde de tous les jours, le temps semble être une entité unique qui s'écoule à un rythme constant, alors qu'en réalité il fait partie d'un système plus complexe lié à l'espace. Par conséquent, lorsqu'un objet se déplace dans l'espace, il se déplace également dans le temps, ce qui ralentit en proportion directe de la vitesse à laquelle l'objet se déplace. Cette propriété est connue sous le nom de dilatation du temps.
- En octobre 1971, la relation entre le temps et l'espace a été démontrée par une expérience menée par le physicien Joseph C. Hafele et l'astronome Richard E. Keating. Prenant quatre horloges atomiques, ils ont fait le tour du monde à bord d'une compagnie aérienne commerciale et ont comparé l'heure indiquée sur les horloges avec d'autres qui étaient restées à l'Observatoire naval d'Europe. Les deux séries d'horloges ont montré des heures différentes, en accord avec les prédictions de la théorie de l'espace-temps.
- 4Réalisez comment cela a conduit à la création d'une nouvelle théorie. À partir de ces deux principes, Einstein a théorisé que la matière et l'énergie étaient liées d'une manière que les scientifiques n'avaient jamais réalisée auparavant. Finalement, Einstein a conclu que la matière et l'énergie étaient la même chose sous des formes différentes, et en accélérant suffisamment la matière, elle deviendrait de l'énergie. Cela a abouti à la célèbre formule mathématique e=mc2{\displaystyle e=mc^{2}} , ou energy=mass x la vitesse de la lumière au carré.
Il a fallu dix ans à Einstein pour étendre sa théorie à l'accélération, une théorie connue sous le nom de théorie de la relativité générale.
Méthode 3 sur 4: comprendre la relativité générale
- 1Ajoutez une accélération. La théorie de la relativité restreinte d'Einstein est appelée ainsi parce qu'elle s'applique au cas particulier des objets se déplaçant à une vitesse constante. Mais les objets ne maintiennent pas toujours une vitesse constante. Il a fallu dix ans à Einstein pour étendre sa théorie à l'accélération, une théorie connue sous le nom de théorie de la relativité générale.
- 2Définir la gravité. Lorsque Sir Isaac Newton a défini pour la première fois la théorie de la gravité, il croyait qu'il s'agissait d'une force innée qui pouvait exercer une influence à travers les distances. La force de gravité serait plus forte pour un objet massif comme le soleil, ce qui expliquait pourquoi il attirait des objets plus petits comme la Terre en orbite autour de lui. Cependant, alors qu'Einstein tentait d'expliquer mathématiquement la gravité, il découvrit que la gravité n'était pas une force qui voyageait dans l'espace, mais était une distorsion de l'espace-temps. Plus un objet est massif, plus il déforme l'espace-temps.
- Imaginez l'univers comme un trampoline. Si vous placez une boule de bowling sur le trampoline, le trampoline se pliera. Des objets plus petits tels qu'une balle de baseball rouleront vers la boule de bowling en raison de la distorsion qu'il a provoquée dans le trampoline. Il a été prouvé que cela s'appliquait également à l'espace-temps.
Ses recherches sur la mécanique des chutes d'objets et des projectiles en mouvement ont conduit à sa formulation de la première théorie moderne de la relativité et ont soulevé la question connue sous le nom de «problème de la relativité».
Méthode 4 sur 4: appliquer la relativité à la vie quotidienne
- 1Trouvez votre position sur terre. C'est que plus un objet se déplace vite, plus le temps ralentit. Les satellites GPS mesurent le temps à un rythme faible mais sensiblement plus lent que le temps sur Terre. En calculant le temps qu'il faut pour un signal envoyé par les satellites GPS en orbite autour de la terre à votre appareil, il est possible de déterminer votre position sur la planète.
- 2Allez chercher l'or. La plupart des métaux sont brillants parce que leurs électrons sautent vers et depuis différents niveaux appelés orbitales. Avec l'or, les électrons les plus proches du noyau de l'atome doivent se déplacer à une vitesse élevée, environ la moitié de la vitesse de la lumière, pour éviter d'être absorbés par le noyau. Pour passer à une orbitale différente, les électrons doivent absorber la lumière. La majeure partie de la lumière absorbée se dirige vers le spectre bleu, tandis que la lumière plus proche du spectre jaune est réfléchie, ce qui donne la couleur jaune luxueuse du métal.
- 3Laissez couler le mercure. Comme l'or, le mercure est un atome lourd dont les électrons internes se déplacent à grande vitesse. Au fur et à mesure que leur vitesse augmente, leur masse augmente proportionnellement. Il en résulte qu'il existe une liaison faible entre les atomes de mercure et que le métal est à l'état liquide à des températures moyennes.
- 4Laisse le soleil briller. Grâce au principe mathématique de e=mc2{\displaystyle e=mc^{2}} , les énergies solaire et nucléaire sont possibles. Sans énergie et matière interconnectées, il n'y aurait ni énergie ni lumière.
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