Comprendre les effets de la dilatation du temps en physique

La dilatation temporelle est le phénomène où deux objets se déplaçant l'un par rapport à l'autre (ou même simplement à une intensité de champ gravitationnel différente l'un de l'autre) connaissent des vitesses d'écoulement temporel différentes.

Dilatation du temps de vitesse relative

La dilatation temporelle observée en raison de la vitesse relative provient de la relativité restreinte. Si deux observateurs, Janet et Jim, se déplacent dans des directions opposées et lorsqu'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 verrait toutes les deux avoir des montres qui tournent plus lentement. Le temps semble passer plus lentement pour la personne observée que pour l'observateur.

Dilatation du temps gravitationnel

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 vers 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 ramper 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 distance la plus éloignée 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 aussi signifier qu'un satellite plus bas a des horloges plus lentes par rapport à la surface tandis que les satellites en orbite plus élevée ont des horloges plus rapides par rapport à la surface.

Exemples de dilatation du temps

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 pour présenter la dilatation du temps est le célèbre Twin Paradox, qui démontre les effets curieux de la dilatation du temps à son plus extrême.

La dilatation du temps devient plus apparente lorsque l'un des objets se déplace à presque 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 des avions cliquent à des rythmes différents des horloges au sol.
• Mettre une horloge sur une montagne (l'élévant ainsi, mais la gardant stationnaire par rapport à l'horloge au sol) entraîne des taux légèrement différents.
• Le 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 influences gravitationnelles.
• Certaines particules instables existent pendant une très courte période de temps avant de se décomposer, mais les scientifiques peuvent les observer comme durant plus longtemps car elles se déplacent si rapidement que la dilatation du temps signifie que le temps que les particules "expérimentent" avant de se décomposer est différent du temps vécu dans le laboratoire au repos qui fait les observations.
• En 2014, une équipe de recherche a annoncé la confirmation expérimentale la plus précise de cet effet à ce jour, comme décrit dans un Scientifique américain article. Ils ont utilisé un accélérateur de particules pour confirmer que le temps se déplace plus lentement pour une horloge mobile que pour une horloge fixe.