Paradoxe sur l'invariance de la vitesse de la lumière

Philippe De Bellescize

Description

Ce livre revisite le postulat d’Einstein de l’invariance de la vitesse de la lumière, en se concentrant sur l’expérience de pensée du train correspondante. Il montre comment une analyse approfondie de la relativité de la simultanéité supposée des émissions des rayons lumineux nous amène au principe de la relativité de la simultanéité au niveau physique. Cependant, dans l’objection d’un vaisseau spatial et d’un missile présentée ici, ce principe se révèle contradictoire. Ces implications logiques et mathématiques sont susceptibles de remettre en cause la validité du second postulat de la relativité restreinte. La reconnaissance des résultats de cette analyse pourrait révolutionner notre conception de l’espace-temps.

Informations

• Publié par: Les Editions Chapitre.com
• Date de parution: 15 décembre 2020
• Nombre de lectures: 5
• EAN13: 9791029011207
• Langue: Français

Extrait

Paradoxe sur l’invariance de la vitesse de la lumière
Philippe de Bellescize
Paradoxe sur l’invariance de la vitesse de la lumière
Les Éditions Chapitre.com
31, rue du Val de Marne 75013 Paris
© Les Éditions Chapitre.com, 2020
ISBN : 979-10-290-1120-7
Introduction
Dans ce livre, il va être démontré que l’invariance de la vitesse de la lumière par rapport aux différents référentiels inertiels, si l’on prend en compte deux points distants, implique « la relativité de la simultanéité au niveau physique ». « La relativité de la simultanéité au niveau physique » est un principe métaphysique implicite impliqué par la relativité restreinte, cette théorie ayant abouti à une certaine conception de l’espace-temps {1} . Il sera expliqué plus loin en quoi consiste ce principe, et on comprendra qu’il faut le distinguer de la simple relativité de la simultanéité de perception des événements par deux observateurs différents. Or, nous verrons ci-après que ce principe, en cas d’accélération de l’observateur, peut amener à dire à la fois une chose et son contraire. Le fait est déjà connu, mais la relativité s’est donné un cadre d’interprétation qui gomme cet aspect des choses. Cette constatation est importante, car elle permettra de conclure que la vitesse de la lumière ne peut pas être physiquement invariante {2} dans certains cas de figure, et qu’il faut par la même occasion changer de représentation de l’espace-temps. Il est par ailleurs possible de préciser dans quel cas on devrait pouvoir mesurer une différence de vitesse pour la lumière, mais cela impliquerait d’autres développements.
Un raisonnement en partie inexact à l’origine de la relativité restreinte ?
On pensait autrefois que la vitesse de la lumière était invariante vis-à-vis de l’éther, et que, de ce fait, elle ne pouvait pas l’être vis-à-vis de la Terre. L’expérience de Michelson et Morley était censée confirmer cela. Étonnamment, elle semble, au contraire, indiquer que la vitesse de la lumière est invariante par rapport à la Terre. À partir de là, Albert Einstein est sans doute parvenu à peu près à ce raisonnement : si la vitesse de la lumière est invariante par rapport à la Terre, alors que cette dernière est un corps en mouvement, alors elle l’est par rapport à n’importe quel corps en état d’inertie. Si l’on prend en compte l’expérience de pensée du train, cela revient à dire que, si la vitesse de la lumière est invariante vis-à-vis de la gare, alors elle l’est également par rapport au train en mouvement constant par rapport à la gare. Ce raisonnement, on pourra s’en apercevoir en lisant ce livre, est en partie inexact. Nous verrons qu’il est sans doute plus juste de penser, même si l’on ne découvre pas immédiatement quelle en est l’origine, qu’il y a une adaptation constante de la vitesse de la lumière à la configuration spatiale.
L’invariance de la vitesse de la lumière implique le principe de relativité de la simultanéité au niveau physique
Nous allons commenter l’expérience de pensée du train d’Einstein {3} qui nous amène à la conception de l’espace-temps de la relativité restreinte, l’expérience de pensée de l’ascenseur d’Einstein, avec le principe d’équivalence, nous conduisant plutôt à la relativité générale. L’expérience de pensée du train d’Einstein est une mise en lumière des conséquences de la supposée invariance de la vitesse de la lumière vis-à-vis de tous les observateurs inertiels. Dans cette expérience de pensée, on prend en compte un observateur immobile par rapport à la gare (« le chef de gare »), et un observateur assis au milieu d’un train en mouvement constant par rapport à la gare (« le passager du train »), le train ne s’arrêtant pas lors de son passage à la gare. Sont perçues, à égale distance du chef de gare, une source lumineuse sur les voies à l’avant du train et une source lumineuse sur les voies à l’arrière du train. On se place dans le cas où les deux rayons lumineux vont atteindre en même temps le chef de gare. Le chef de gare, s’il pense que la vitesse de la lumière est invariante par rapport à lui, comme les deux sources lumineuses sont à égale distance, considère par reconstruction que les deux rayons ont été émis au même instant pour lui. Il est en fait très possible que ces deux événements ne soient pas simultanés pour le chef de la gare, mais si on pose que la vitesse de la lumière est invariante par rapport à lui et que les distances des sources lumineuses sont connues, on considère par reconstruction qu’il y a simultanéité entre ces deux événements. On ne peut donc pas dire dans ce cadre qu’il n’y a pas de simultanéité du tout, puisque la simultanéité de ces deux événements, pour le chef de gare, est la conséquence des prémisses du raisonnement {4} .
En général deux événements distants, qui apparaissent simultanés pour un premier observateur, ne vont pas être perçus comme simultanés par un second observateur, en mouvement constant par rapport au premier observateur, sauf si, à l’instant de la détection des événements, les deux observateurs se trouvent à la même position. C’est ce que l’on peut appeler une relativité de la simultanéité de la perception des événements par deux observateurs différents. Nous verrons plus loin qu’il faut bien distinguer cette relativité de la simultanéité de perception des événements « lors d’un processus de mesure » d’une « relativité de la simultanéité en ce qui concerne l’émission des rayons lumineux {5} », et finalement d’une « relativité de la simultanéité au niveau physique ». La particularité de notre commentaire de l’expérience de pensée du train d’Einstein est de montrer que cette supposée relativité de la simultanéité, en ce qui concerne l’émission des rayons lumineux, va impliquer « une relativité de la simultanéité au niveau physique ». Considérons maintenant deux situations. Première situation : les deux observateurs sont à la même position à l’instant d’arrivée des deux rayons lumineux sur le chef de la gare (variante de l’expérience de pensée du train proposée par Yann le Roux) ; seconde situation : les deux observateurs, si l’on prend le point de vue de l’observateur de la gare, et si l’on se place dans le cadre où la vitesse de la lumière est invariante par rapport au chef de gare, étaient à la même position à l’instant de l’émission des deux rayons lumineux (variante proposée par Albert Einstein).
Dans la première situation, si l’on considère que les émissions des deux rayons lumineux ont été simultanées pour les deux observateurs (simultanéité absolue), et que la vitesse de la lumière est invariante par rapport au chef de gare, elle ne peut pas être invariante par rapport au passager du train. En effet, dans ce cas de figure, les distances des deux sources lumineuses n’étaient pas, à l’instant de l’émission des rayons lumineux, les mêmes pour le passager du train qui est en mouvement constant vis-à-vis de la gare. Pourtant, dans le cas de figure qui vient d’être évoqué, les rayons lumineux arrivent au même instant à cet observateur. Donc, dans cette situation, pour que la vitesse de la lumière puisse être aussi invariante par rapport au passager du train, il faudrait que les émissions des deux rayons lumineux, tout en étant simultanées pour le chef de gare, ne le soient pas pour le passager du train. En se basant sur cette première conclusion, on peut se pencher sur la seconde situation.
Dans la seconde situation, on a déjà vu que l’observateur de la gare considère, si l’on pose que la vitesse de la lumière est invariante par rapport à lui, que les émissions des deux rayons ont été simultanées pour lui. Or, nous avons vu dans le paragraphe précédent que, si l’on veut dans ce cas que le passager du train puisse aussi considérer que la vitesse la lumière est invariante par rapport à lui, les deux émissions des deux rayons lumineux ne doivent pas être simultanées pour lui, ce qui a été mentionné pour le premier cas devant être appliqué au second. En effet, la situation est comparable, c’est seulement l’horaire du train qui est différent. Pour l’observateur du train, l’émission