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En 3ème, tu apprends la mécanique classique. Découvertes par Newton et approfondie durant tout le XIXème siècle, la mécanique classique décrit extrêmement bien le physique et notamment le mouvement des corps sur terre. Mais à l'échelle astronomique, on s'apperçoit que la mécanique classique devient imprécise.

Isaac Newton au début du XXème siècle a découvert la relativité générale qui précise la mécanique classique et dont les effets sont essentiellement perceptible à l'échelle astronomique. L'espace-temps en est le concept phare.

Te décrire exactement ce qu'est l'espace-temps en mécanique générale est très difficile. D'autant plus que tu n'as pas les outils mathématiques pour comprendre en terme d'equation.

En terme simple, si Newton décrit l'univers en 3 dimension (Hauteur, Longueur, Largeur) c'est l'espace classique ; Einstein le décrit en 4 dimension (Hauteur, Longueur, Largeur, Temps).

Mais qu'est ce que cela change ? Cela change essentiellement que tout devient "relatif", varie.

L'espace à 3 dimensions n'est pas un élément fixe et invariable. Il évolue dans le temps. Le temps lui même n'est pas invariable. On peut se déplacer dans le temps à des vitesses différentes (mais toujours du passé vers le futur).

Ca, ce sont les grandes phrases. Quelques illustrations concrètes :

Le temps est relatif. Plus tu vas vite, plus le temps s'écoule lentement. A la vitesse de la lumière, le temps s'arrête. Un exemple concret : 2 horloges extrêmement précises, l'une sur terre, l'autre dans un satellite en orbite. L'horloge dans le satellite en orbite va plus vite que l'horloge resté sur terre. Le temps s'écoule plus lentement pour elle et elle indiquera une heure différente de l'heure de l'horloge resté sur terre. Ce phénomène a été expérimenté et est même pris en compte dans les calculs notamment des satellites GPS. Sans cela, il ne fonctionnerait pas. A l'extrême, si on arrivait à construire un vaisseau allant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, pendant qu'il se passerait un an sur le vaisseau spatiale, il pourrait se passer 10 ans sur terre...

L'espace varie dans le temps. C'est notamment l'expension de l'univers, le Big Bang. Les dimensions maximales de l'univers augmentent avec le temps, à une vitesse elle même variable. Renseignes toi sur l'expension de l'univers, son accélération, le big bang si tu ne vois pas de quoi je parle.

La matière déforme l'espace-temps. La présence de matière ne fait pas qu'attirer par gravitation les autres éléments. Elle déforme aussi l'espace autour d'elle. Ainsi, un rayon lumineux va toujours en ligne droite et n'est pas soumis à la gravitation. Pourtant, autour du soleil, les rayons lumineux des étoiles, des planètes sont légèrement déviés (ceci a été observé et a été considéré comme la preuve expérimentale de la théorie de la relativité). Le soleil déforme l'espace autour de lui, et les "lignes droites" deviennent courbe. En allant en ligne droite, la lumière suit donc une courbe. C'est la déformation de l'espace temps.

On pourrait continuer longtemps dans les exemples, avec notamment les trous noirs. Mais c'est compliqué à expliquer.

En physique newtonienne, non relativiste, l'espace et le temps étaient deux entités séparées, et immuables, identiques pour tous les référentiels d'où on les observe.

Un observateur disons à la surface de la Terre et un autre en déplacement rapide par rapport au premier en observant une règle elle-même en mouvement quelconque lui trouveront une longueur identique, et leurs horloges une fois synchronisées le resteront quel que soit leur mouvement relatif.

Mais l'expérience de Michelson et Morley l'a montré, cette conception n'est qu'une approximation acceptable pour des objets et des observateurs se déplaçant les uns par rapport aux autres à une vitesse (très) petite devant la vitesse de la lumière. Si l'on considère des mouvements relatifs rapides, impliquant des vitesses d'une fraction non négligeable de la vitesse de la lumière, ce n'est plus vrai.

Une règle tenue par un observateur aura aux yeux de cet observateur une longueur plus grande que la même règle vue par un observateur en mouvement relatif rapide par rapport au premier (si la règle est orientée dans le sens de la vitesse relative). On parle de "contraction des longueurs".

D'autre part, on ne peut plus parler de temps absolus, chacun des observateurs a son temps propre et il y a "relativité de la simultanéité", "dilatation du temps".

Cette nouvelle conception de l'espace et du temps, où l'espace et le temps ne sont plus indépendants ni absolus, implique le concept d'espace-temps, où l'espace et le temps forment une sorte d'espace à quatre dimensions, où la notion de distance conservée (ou métrique) inclut les coordonnées d'espace et de temps, et où les changements de référentiels se font selon un groupe, appelé "groupe de Lorentz", qui implique entre autres la contraction des longueurs, la dilatation du temps et la relativité de la simultanéité (au lieu du caractère absolu de la simultanéité).

N.B. Puisque tu as 15 ans, je vais te dire ce qu'est un groupe :

C'est un ensemble G muni d'une opération * (une opération peut être n'importe quoi. Par exemple, si G = N ensemble des entiers naturels, on a l'opération +, qui au couple (2,3) associe 5, et en général au couple (m,n) associe m + n

On peut inventer n'importe quelle opération, par exemple * définie par a*b = a + b + ab

Ainsi 2*3 = 2 + 3 + 6 = 11)

Mais l'opération doit avoir les 3 propriétés suivantes :

1) l'associativité, à savoir a*(b*c) = (a*b)*c

2) l'ensemble G doit avoir un élément neutre, c'est-à-dire un élément e tel que pour tout x de G, on ait

x*e = e*x = x

3) tout élément x de G doit avoir un symétrique x', c'est-à-dire un élément x' vérifiant

x*x' = x'*x = e

Si l'on considère Z, ensemble des entiers relatifs (Z = {...-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, ...} muni de l'opération addition, on obtient bien un groupe, en effet, on a toujours

a + (b + c) = (a + b) + c

a + 0 = 0 + a = a

a + (-a) = (-a) + a = 0

Le groupe de Lorentz est un ensemble de transformations des quatre coordonnées (x, y, z, t) de l'espace-temps. Il permet de passer d'un référentiel galiléen (ou référentiel inertiel) à un autre.

@Atome Kid : Juste un point de détail au sujet de ton excellente explication.

(N,+) n'est pas un bon exemple de groupe puisqu'il n'existe pas de symétrique pour tout élément différent du neutre pour + (c'est un monoïde). (Z,+) ça marche.

L'espace-temps est notre véritable espace cosmologique.

En 3ème, tu as forcément vu que notre espace géométrique est à 3 dimensions, généralement représenté par 3 coordonnées donc,

x : abscisse

y : ordonnée,

z : cotes.

La longueur d’un objet est donc parfaitement défini par

L² = x² + y² + z² ←→ L = √( x² + y² + z²)

et ce quelle que soit sa vitesse, ce qui implique que je facteur « temps » n’intervient pas.

Il s’agit là de la géométrie cosmologique de Newton.

Dans ce monde, les vitesses s’ajoutent simplement vectoriellement, soit algébriquement sur une droite : l’infini s’y trouve donc en asymptote.

Puis, en 1887, l’expérience « ratée » de Michelson et Morley [ http://fr.wikipedia.org/wiki/Exp%C3%A9rience_de_Mi... ] prouva que la vitesse de la lumière dans le vide était la même dans tous les référentielle, ce qui implique

v + c = c

quelle que soit la vitesse c, ce qui implique également que la vitesse d’un objet ne peut dépasser c.

c est donc une vitesse asymptote pour les objets, mais atteinte par la lumière.

La géométrie de Newton se trouve donc invalidée dès qu’on approche les vitesses luminiques.

Essentiellement à Einstein on doit le développement d’une nouvelle géométrie cosmologique permettant d’intégrer ces faits expérimentaux et tendant vers celle de Newton àux vitesses « ordinaires ».

Et le nouvelle espace cosmologique est à 4 dimensions, la 4ème dimension intégrant la variable temps : il s’appelle naturellement « espace-temps ».

x : abscisse

y : ordonnée,

z : cotes,

c.t : variable temporelle (au signe près).

► Quand un objet approche de la vitesse c de la lumière dans le vide, pour un observateur « immobile » (sur un repère inertiel), la mesure de sa longueur L diminue (ce qu’on appelle la contraction des longueurs), tandis que son orloge embarquée prend du retard (ce qu’on appelle la dilatation du temps).

Tout ce passe comme si [ ?] il se produisait une rotation de l’espace classique (x, y, z) dans la 4ème dimension (c.t).

Ce qui se conserve n’est donc plus L ou L², mais S² = -c²t² + x² + y² + z² = L² - (c.t)² [le signe – résulte d’une écriture en nombres complexes – détail].

http://accrodavion.be/Accrodavions/Relativite-expl...

< la relativité généralisée montre que cet espace se courbe sous l'action de masses graves, ce qui est la cause de la pesanteur et de l'attraction universelle : pas besoin de gravitons pour Einstein. Mais tu as le temps de voir ça plus tard ... ;o) >

Quand on parle d'espace temps on tien compte du temps qu'il faut pour parcourir l'espace. Cela change les perspectives.

Un exemple : si le soleil s'éteint à midi dans l'espace temps de la Terre il ne s'éteindra qu'à 12h07 car il est à 7 minutes lumières.