Relativité, théorie quantique, physique des particules...

Suite à une conversation avec Maverick sur la chatbox, je me suis dis (nous nous sommes dis peu être) que le sujet pouvait intéresser du monde, du béotien au prix Nobel ! Si certains ici maitrisent le sujet, corrigez moi si je fais de petites erreurs ! Ça arrive aussi souvent en vulgarisant qu'en calculant !


Je vais donc essayer introduire un peu le sujet, et on pourra ensuite s'amuser un peu avec les lois relativistes / quantiques ou autres ! Parce que il y a de quoi s'amuser…. quand on aime !

On va commencer par la relativité aujourd'hui, et ça suffira pour une introduction je crois ! J'ai essayer de faire ressortir les passages conceptuellement les plus intéressants en gras!
Si les autres domaines (quantique/particules/…) vous intéresses dites le moi pour que je continue!! Si je ne fais que remplir le disque dur de d9 lors des sauvegardes, et que ca interesse pas, alors dites moi aussi



Relativité (Restreinte) :

2 postulats, donnés par Einstein, suffisent :

- Les lois de la physique sont invariables par changement de référentiel.

- La vitesse de la lumière, notée c dans le vide (c=3.10^8 m/s=300000000m/s=1 milliard de km/h environ), est invariante par changement de référentiel.


De plus on considère chaque «chose» (appelé "évènement") positionné dans l'espace-temps de Minskowsky, c'est à dire que si en mécanique classique les coordonnées spatiales (x;y;z) suffisent en général pour définir un point, en relativité il aura des coordonnées spatiales, et une coordonnée temporelle : (x;y;z;ct). On note « ct » pour rester en unité de longueur ( (m/s)*(s)=m )


Par «changement de référentiel» on veut dire que … je ne sais pas comment l'expliquer, je vais prendre un exemple : quelqu'un (on l'appellera K) sur un trottoir court à 10km/h, une voiture passe a 50km/h (on l'appellera W) , il y a une autre personne assise sur le trottoir (on l'appellera I).

K se déplace à 40km/h (50-10) par rapport à W, I se déplace a 50km/h par rapport à W, etc…


Donc chaque point de l'univers a son référentiel propre, entre deux référentiels il y a une vitesse, pour passer de l'un à l'autre ou de l'autre à l'un seul le signe de la vitesse (+ -) change, donc chacun se déplace par rapport aux autres, mais chacun est immobile dans son référentiel propre.


Ce qui implique : (ca devient vraiment intéressant ici!)


- Que si une lois physique s'écrit d'une façon à un endroit de l'espace-temps, elle s'écrira de la même façon ailleurs (quelque soit le changement de référentiel!).


- La vitesse de la lumière est un maximum que l'on ne peut dépasser et qui ne change pas (on dit que «c (vitesse de la lumière) est invariant par changement de référentiel»).

C'est à dire que si vous vous déplacez à 0,8 fois la vitesse de la lumière (0,8*3*10^8m/s) et que quelqu'un arrive vers vous à une vitesse de 0,4 fois la vitesse de la lumière (0,4*3*10^8m/s), en mécanique classique vous devriez vous rapprocher à 1,2 fois la vitesse de la lumière (1,2*3*10^8m/s) mais c'est faux ! Vous vous rapprocherez à une vitesse égale à celle de la lumière !


De plus pour atteindre la vitesse de la lumière il faut avoir une masse nulle : c'est par exemple le cas des photons (particules de la lumière) !


- Cône de lumière ICI : par ce graphique on montre qu'un évènement de l'espace temps a un passé qui correspond à tout ce qui a précédé et d'où un objet se déplaçant a la vitesse de la lumière a pu venir. De même il a un future qui correspond à tout ce qui suivra et vers où un objet se déplaçant à la vitesse de la lumière pourra aller.

Exemple :

Passé :quelqu'un me fait signe à 3*10^8m de moi, si je le vois c'est qu'il a commencé de me faire signe il y a 1 seconde minimum ! S'il a commencé avant c'est que la lumière a mis plus de temps pour venir (par exemple dans le verre la lumière est «ralentie»), mais en aucun cas il a pu commencé après !

Future : Si je fais signe à quelqu'un a 3m de moi, il pourra le voir 1*10^-8s (0,01mircosecondes) plus tard. Ce n'est pas possible qu'il le vois avant, mais il pourrait le voir après si la lumière va moins vite.


- «Déformation» des mesure par changement de référentiel :

On a donc vu plus haut que chacun se déplaçait par rapport à tous le monde. Il n'y a donc pas de point fixe universel.

D'après les postulats de la relativité, en formalisant mathématiquement, on trouve que le temps ne s'écoule pas de la même façon suivant le référentiel.

Plus simplement : le temps ne s'écoule pas de la même manière quand je me déplace que quand je suis immobile. (c'est fou hein! pourtant non, ce n'est pas magique !)

Exemple : 3 hommes sont à 14h00 au même endroit, l'un se déplace à grande vitesse, l'autre à basse vitesse, le troisième est «immobile». Ce dernier chronomètre 1h, dans leur référentiel propre (c'est a dire «pour eux») il sera donc 15h pour le 3eme homme, mais il ne sera la même heure ni pour le premier, ni pour le second !




En pratique aucun effet relativiste n'est visible au quotidien, pourtant ils sont présents. Enfin je dirais que ce n'est pas un domaine purement théorique : il existe des applications dans certains domaines !



On pourrait bien évidement passer des heures a expliciter les effets relativistes ! Chose qu'on pourra faire ici par la suite

Ouh, les vieux souvenirs de prépa !
C'est un sujet qui m'intéresse pas mal, mais que je n'ai jamais réellement compris. J'accepte les postulats, mais de là à les comprendre…

Par contre, si les effets ne sont pas visibles directement (car l'écart entre relativité newtonienne et relativité restreinte est bien trop faible à l'échelle humaine), on a tout de même des applications dans la vie de tous les jours, comme le GPS, non ?


(d'ailleurs, ne serait-ce pas la transformée de Lorentz pour passer d'un référentiel à l'autre, en relativité restreinte ? Ou racontai-je n'importe quoi ? )

Je pense que tu n'es pas le seul à avoir du mal avec ces concepts !
Personellement j'ai la "chance" de bien comprendre ce genre de chose…


Effectivement je crois que le GPS prend en compte les corrections relativistes ! Je ferai une petite recherche pour mieux en dire sur cette application "quotidienne".

Et oui c'est bien la transformée de Lorentz ! Pour donner un ordre d'idée les corrections sont de l'ordre de vitesse/(vitesse de la lumiere), soit un chiffre très faible pour nos vitesses humaines.

c'est vrai que c'est super intérressant, mais pas trop à la porté de tout le monde!

même si j'ai du mal à saisir toutes les notions j'arrive à comprendre grossomodo.

Passé :quelqu'un me fait signe à 3*10^8m de moi, si je le vois c'est qu'il a commencé de me faire signe il y a 1 seconde minimum ! S'il a commencé avant c'est que la lumière a mis plus de temps pour venir (par exemple dans le verre la lumière est «ralentie»), mais en aucun cas il a pu commencé après !

Future : Si je fais signe à quelqu'un a 3m de moi, il pourra le voir 1*10^-8s (0,01mircosecondes) plus tard. Ce n'est pas possible qu'il le vois avant, mais il pourrait le voir après si la lumière va moins vite.

je me suis déjà posé cette question!
sachant que pour certaines étoiles leur lumière est encore visible alors que l'étoile en elle même est morte, la lumière du soleil met 8 minutes à nous arriver et que même notre vision demande un certain temps avec ce que l'on appelle la persistance rétinienne, cela me fait penser que l'on vit dans un perpétuel passé?

cela me fait penser que l'on vit dans un perpétuel passé ?

Pour certains, j'ai aucun doute.

Super sujet, vous allez pouvoir répondre à une question qui me turlupine depuis des années.

En considérant ces 2 lois de physique:
-Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme
- "c" est la vitesse maximale de cette univers (sinon on atteint des masses/énergies infinies, voire l' écoulement du temps passe en négatif)

Un vaisseau spatial se déplace à 0,99c dans l' espace,
Il décide de pivoter de 90°, de rallumer ses moteurs jusqu'à atteindre 0,99c dans cette nouvelle direction.
La résultante de ces 2 vecteurs devrait me donner une vitesse (d' environ) racine de 2*c soit 1,41c.
Ce qui est impossible, nous l' avons vu.

La question est : Où s' est barré le vecteur vitesse initial de mon vaisseau, vu qu' il ne peut pas disparaitre juste comme ça, pour faire plaisir à Einstein

Au hasard : tu raisonnes dans un espace euclidien, qui n'est clairement pas adapté à des vitesses aussi importantes ?

Mais quelque soit le référentiel (à part lui même), mon vaisseau a une masse et une vitesse donc de l' énergie cinétique vers sa destination A.
Après sa maneuvre, l'énergie cinétique est dirigée vers B, mais celle vers A "disparait" pour ne pas dépasser la vitesse de la lumière sur la résultante de leurs vecteurs.
Et de l' énergie, ça disparait pas comme par enchantement.

j' imagine bien qu' il y a une faille dans ma compréhension des effets relativistes, mais c' est le but de ma question, trouver où ça cloche.

little boy a écrit

sachant que pour certaines étoiles leur lumière est encore visible alors que l'étoile en elle même est morte, la lumière du soleil met 8 minutes à nous arriver et que même notre vision demande un certain temps avec ce que l'on appelle la persistance rétinienne, cela me fait penser que l'on vit dans un perpétuel passer?

Effectivement, ce raisonnement me parait valide, tout ce que l'on voit c'est déjà passé, le présent est donc un futur pour nous, et le passé un "présent"…
D'ailleurs pour comprendre la formation de l'univers (ça c'est de l'astrophysique) on regarde le plus loin possible, et on verra maintenant ce qu'il c'est passé il y a longtemps, c'est comme ça que l'on a mesuré des indices qui confirment la théorie du Big Bang : que l'on regarde n'importe où on voit une "légère lumière" (c'est un rayonnement électromagnétique à 3 Kelvin environ) qui est la trace du moment où l'univers était tellement dense (juste après le BigBang) que la lumière (les photons) ne pouvait se déplacer : on voit donc une "lumière" uniforme partout…

Cinétic a écrit

-Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme

Toujours vrai, mais il faut faire attention avec ça en physique des particules et astrophysique : le vide a une energie (qu'on peut lui prendre à condition de lui redonner ensuite je crois) et les "interactions" avec la matière noire peuvent fausser un peu le problème !

Mais ce ne semble pas être le cas dans ton problème !

Cinétic a écrit

Un vaisseau spatial se déplace à 0,99c dans l' espace,
Il décide de pivoter de 90°, de rallumer ses moteurs jusqu'à atteindre 0,99c dans cette nouvelle direction.
La résultante de ces 2 vecteurs devrait me donner une vitesse (d' environ) racine de 2*c soit 1,41c.
Ce qui est impossible, nous l' avons vu.

La question est : Où s' est barré le vecteur vitesse initial de mon vaisseau, vu qu' il ne peut pas disparaitre juste comme ça, pour faire plaisir à Einstein

La réponse de d9 est déjà une bonne base !
Mais je pense qu'il y a surtout une problème de changement de réferentiel, en relativité la loi de composition des vitesses est bien differantes de celle en mécanique classique. Ce qui donne que ta résultante ne soit pas égale à la somme vectorielle des vitesse !

Je me pencherai un peu plus sur le problème (mais pas ce soir !! ), mais je ne suis pas sur d'avoir une réponse complète car il y a des accèlerations, on entre donc dans le domaine de la relativité générale que je ne maitrise pas !

glwpatton a écrit

Mais je pense qu'il y a surtout une problème de changement de référentiel, en relativité la loi de composition des vitesses est bien différentes de celle en mécanique classique. Ce qui donne que ta résultante ne soit pas égale à la somme vectorielle des vitesse !

Grâce a tes indices je crois avoir trouvé une piste:

Lois du mouvement en référentiel non inertiel

le principe d'inertie n'y est pas valable. Ces forces d’inertie, ou encore « pseudo forces » ne sont pas dues à des interactions entre corps, mais ne sont que le reflet du mouvement particulier du référentiel non inertiel

Si j' ai compris, la force d' inertie se transforme en accélération du référentiel par rapport à un référentiel inertiel.

bon, je vais dire d' accord mais pourquoi?

Pour completer le sujet : http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/relativite-la-dilatation-du-temps-observee-directement-au-laboratoire_25367/

oùlà, des souvenir qui remonte à loin ^ ^, très loin ^ ^'
Je me rappelle quelques initiations fait par notre prof de Physique en prépa et un truc qui me semblais important était la masse.

Je dis peut-être une connerie vu que c'est encore flou mais la masse change aussi avec la vitesse
dans le sens où, plus on se rapproche c, plus la masse augmente (tend vers l'infini)

ce qui donnerais pour :

Un vaisseau spatial se déplace à 0,99c dans l' espace,
Il décide de pivoter de 90°, de rallumer ses moteurs jusqu'à atteindre 0,99c dans cette nouvelle direction.
La résultante de ces 2 vecteurs devrait me donner une vitesse (d' environ) racine de 2*c soit 1,41c.
Ce qui est impossible, nous l' avons vu.

dans le cas de ce vaisseau, tu ne peut être à 100% de c sinon masse infinie
donc tu est à 99% de c dans la direction A avec la masse m1
ensuite tu donne de l'énergie cinétique dans la direction B pour la même vitesse (99% c dans dir B)
tu obtient une nouvelle direction (inconnue, je ne sais pas faire ce calcul ^^)
avec une vitesse de 99%+epsilon% de c et une nouvelle masse de m2 = m1 + l'énergie cinétique en trop.


à supposer que le postulas de départ ne soit pas trop loufoque ça pourrais marcher. En gros le fait d'accélérer cristalliserais l'énergie en masse. (Il faudrais que je me renseigne sur le champ de Higgs à ce sujet)

glwpatton a écrit

Suite à une conversation avec Maverick sur la chatbox, je me suis dis (nous nous sommes dis peu être) que le sujet pouvait intéresser du monde, du béotien au prix Nobel !

Super sympa ce topic

Merci pour le partage, je me classe dans la catégorie Béotienne et ça n'étonnera personne

Article sympa Dalius !

Cinétic a écrit

glwpatton a écrit

Mais je pense qu'il y a surtout une problème de changement de référentiel, en relativité la loi de composition des vitesses est bien différentes de celle en mécanique classique. Ce qui donne que ta résultante ne soit pas égale à la somme vectorielle des vitesse !

Grâce a tes indices je crois avoir trouvé une piste:

Lois du mouvement en référentiel non inertiel

le principe d'inertie n'y est pas valable. Ces forces d’inertie, ou encore « pseudo forces » ne sont pas dues à des interactions entre corps, mais ne sont que le reflet du mouvement particulier du référentiel non inertiel

Si j' ai compris, la force d' inertie se transforme en accélération du référentiel par rapport à un référentiel inertiel.

bon, je vais dire d' accord mais pourquoi?

En relativité restreinte les référentiel sont inertiels (galiléens), c'est peut être pas le cas en relativité générale mais comme j'ai déjà dis : je ne maitrise pas !

Par contre je ne saisie pas ton problème… Si ton vaisseau se déplace à 0,99c il respecte les postulat… changer de direction ne va pas changer sa vitesse (si on néglige les autres effets mécaniques comme les frottements), et par la diagonale (distance la plus courte, si l'espace est euclidien (je veux dire sans courbure)) on trouve forcement une vitesse inférieur à 0,99c…

Ré-explique moi si je n'ai rien compris




Attention Looping :
Une masse est de l'énergie (E=mc²) mais la réciproque n'est pas vraie !
Ce que tu dis peut marcher dans des système atomique (énergie de liaison) mais je ne crois pas que cela fonctionne pour des objet macroscopique. A vérifier !




Merci Sandra !!


Un petit truc amusant :
Dans les réacteur nucléaires, on peut voir (attention c'est dangereux ) une belle lumière bleue ! Très féérique ! Une nuance que l'on ne peux voir presque nulle part !
Sa cause ? L'effet Cerenkov (ou Serenkov ou Tcherenkov , wiki écrit Čerenkov, il nous faudrait l'avis d'un linguiste de l'Est!).
que c'est beau !

J'explique :
On a donc dit que la vitesse de la lumière dans le vide (c=3*10^8m/s) était une limite max de vitesse. Mais dans certains milieux la lumière elle même se déplace plus doucement (suivant l'indice n de ce milieu) :
eau : n=1,33 vitesse de la lumière = 2,3*10^8 m/s
verre : n=1,5 vitesse de la lumière = 2*10^8 m/s

Dans un réacteur nucléaire à eau pressurisé (REP ou PWR in english, filière nucléaire la plus répandue), comme son nom l'indique les barres d'uranium sont plongée dans un modérateur (modération = ralentissement des neutrons issus des fissions) qui est de l'eau.
Les neutrons (avec le proton, ils forment le noyau atomique) libéré par la fission (« éclatement » d'un noyau d'uranium) sont éjectés avec une énergie énorme (2MeV) ce qui leur donne une vitesse très proche de c la vitesse de la lumière dans le vide, et supérieur à la vitesse de la lumière dans l'eau (calculée plus haut) !
Le neutrons franchie le mur de la lumière ! Équivalent à celui du son, que nous connaissons bien ici en aéronautique !! Au lieu de produire un Bang supersonique, il produit un Flash superlumieux !

Cet effet est visible par les astronautes en orbite extra atmosphérique, en effet les rayonnements cosmiques ne sont pas arrêtés par l'atmosphère, et plusieurs fois par jour les astronautes voient un flash bleu, il n'a jamais été observé par quelqu'un d'autre qu'eux même pour la simple et bonne raison que ce flash n'apparait que dans leur oeil (composé essentiellement d'eau bien sur !) !!

Je sais pas vous, mais ce dernier exemple je trouve ca énorme !
Surtout sachant que ces rayonnements datent en partie de la création de l'univers !
(il y a d'autres trucs sympa sur ces rayonnement, mais rien a voir avec la relativité ! Ça sera pour un autre jour peut être !)

Si j'ai pas était clair hésitez pas à me disputer !

Attention Looping :
Une masse est de l'énergie (E=mc²) mais la réciproque n'est pas vraie !
Ce que tu dis peut marcher dans des système atomique (énergie de liaison) mais je ne crois pas que cela fonctionne pour des objet macroscopique. A vérifier !

Comme je l'ai dit c'est une supposition servant à expliquer la "perte" d'énergie du vaisseau spatial. Cependant il semblerais que je ne soit pas si éloigné de l'idée :

On peut aussi considérer que les accélérateurs de particules permettent également de transformer de l'énergie en masse. Ainsi par exemple, quand on accélère un proton jusqu'à 99 % de la vitesse de la lumière, sa masse devient environ 7 fois plus grande qu'au repos, selon la formule suivante : m = mo / [1 – (v /c)2 ]1/2, dans laquelle c est la vitesse de la lumière, v la vitesse du proton, mo sa masse au repos et m sa masse en mouvement, dite masse relativiste.

dixit Wiki : http://fr.wikipedia.org/wiki/Masse

Donc la masse est de l'énergie Ok. mais la réciproque ne semble pas si négligeable que ça

Mais pour en savoir plus il fraudais chercher sur le champ de Higgs le champ de higgs, c'est important, le champ de HIGGGS
http://fr.wikipedia.org/wiki/Boson_de_Higgs

je devrais poser quelques questions aux profs de Physique des Nano-Science de mon école.