Physique

La dilatation du temps et la contraction des longueurs

Une horloge en mouvement bat moins vite, une règle en mouvement est plus courte, et un seul nombre, le facteur de Lorentz, règle les deux. Les muons le confirment chaque jour, et des jumeaux pourraient le vérifier.

On parle parfois de « contraction du temps », mais le mot juste est dilatation : la durée mesurée entre deux tics d'une horloge qui passe s'allonge, c'est son rythme qui ralentit. Les longueurs, elles, se contractent bien. Les deux effets ont le même facteur.

À gauche, deux horloges de même construction : l'une au repos, l'autre vue en mouvement. À droite, deux règles identiques : l'une au repos, l'autre vue en mouvement. La vitesse défile.

Planche 1

L'horloge à lumière et le facteur de Lorentz

L'horloge la plus simple possible : un éclair qui rebondit entre deux miroirs. Un tic à chaque aller-retour. Vue dans son propre référentiel, un tic dure 2H/c. Vue en mouvement, la lumière doit faire un trajet en zigzag, plus long, à la même vitesse c : c'est le second postulat. Le tic dure donc plus longtemps.

À gauche, l'horloge au repos. À droite, la même horloge qui passe devant nous, avec le trajet de la lumière.

Un aller : le triangle rectangle du calcul. Pythagore donne (cΔt/2)² = H² + (vΔt/2)², où Δt est la durée d'un tic complet.

Le facteur γ selon la vitesse, et en pointillé l'approximation 1 + β²/2, excellente en dessous de 0,3 c.

Δt = γ Δτ    avec    γ = 1 / √(1 − v²/c²)
Durée d'un tic au repos (2H/c = 2 ici)2,000
Durée d'un tic vu en mouvement (rencontre par dichotomie)
Rapport mesuré
γ = 1/√(1−β²)
Écart
Tics comptés : repos / en mouvement

Le facteur de Lorentz dans la vie courante

Ce qu'il faut retenir. Le ralentissement ne tient pas à la lumière. Si une horloge à ressort ne ralentissait pas de la même façon, il suffirait de comparer les deux dans une cabine fermée pour savoir qu'on est en mouvement, ce que le premier postulat interdit. Tous les processus physiques ralentissent donc de γ : horloges, atomes, cœur des passagers. Et personne, dans la cabine, ne ressent rien.
Planche 2

Le temps propre : ce que marque votre montre

Le temps propre τ est la durée marquée par une horloge qui voyage elle-même d'un événement à un autre. Il ne dépend que du trajet, et pas de l'observateur. La formule du tic se généralise : à chaque instant, dτ = dt/γ. Sur un chemin quelconque, on additionne.

τ = ∫ √(1 − v²/c²) dt

Trois horloges partent ensemble de O et se retrouvent ensemble en E. Déplacez le point rouge : il change le trajet de l'horloge rouge. Chaque petit trait marque une unité de temps propre : à vitesse élevée, ils s'espacent, et cette horloge en marque moins.

Diagramme espace-temps (c = 1). Les trajets doivent rester moins pentus que la lumière, en jaune. Le curseur « observateur » redessine toute la figure telle qu'il la verrait.

Horloge bleue, en ligne droite
Horloge rouge, deux segments
Horloge orange, oscillante (Simpson)
Les mêmes, recalculées dans le référentiel dessiné : écart maxi
Durée entre O et E pour cet observateur
Ce qu'il faut retenir. La durée entre O et E dépend de l'observateur (lecture violette). Le temps propre de chaque horloge n'en dépend pas : c'est la vraie grandeur physique. Et voici le renversement par rapport à Euclide : dans le plan, la ligne droite est le plus court chemin. Dans l'espace-temps, la ligne droite, c'est-à-dire le mouvement libre, est le chemin de plus long temps propre.
Planche 3

La longueur propre et sa contraction

La longueur propre L₀ est celle d'un objet mesuré au repos. C'est la plus grande longueur qu'on puisse lui trouver. Vu en mouvement, il est plus court dans le sens du mouvement : L = L₀/γ. Pourquoi ? Voici deux raisonnements indépendants.

Un train de longueur propre 5 passe devant un poteau. Le poteau porte une horloge : elle mesure le passage avec son temps propre. Dans le train, le passage est mesuré avec deux horloges, en tête et en queue. Chacun multiplie sa durée par la vitesse, sur laquelle tous deux s'accordent.

En haut, vu du quai : le poteau est immobile. En bas, vu du train : c'est le poteau qui défile.

Durée vue du train : L₀/v
Durée au poteau (temps propre, en transformant les deux événements)
Longueur vue du quai : v × durée au poteau
L₀/γ
Écart
Les deux observateurs s'accordent sur la vitesse relative et sur les deux événements « la tête passe » et « la queue passe ». Le poteau en donne une durée propre plus courte ; donc la longueur qu'il en déduit est plus courte. La dilatation et la contraction sont les deux faces d'un même fait.

Dans la même cabine, plaçons deux horloges à lumière identiques, l'une debout et l'autre couchée dans le sens du mouvement. Elles doivent rester d'accord, sinon on détecterait le mouvement. Depuis notre référentiel, la lumière de l'horloge couchée court après un miroir qui fuit, puis va au-devant de l'autre. Un tic dure 2Lγ² : c'est trop long ! La seule manière qu'elle garde la cadence de sa voisine, 2Hγ, est que son bras soit raccourci.

Horloge debout en bleu, couchée en rouge, dessinées dans la cabine. Vitesses de la lumière vues de notre référentiel. Compteurs de tics à droite.

Tic de l'horloge debout : 2Hγ
Tic de l'horloge couchée (aller + retour)
Rapport (vise 1)
Longueur du bras vue de notre référentiel
Décochez la contraction : les deux horloges se désaccordent, et un passager découvrirait sa vitesse. C'est exactement ce que Michelson et Morley ne trouvent pas. La contraction n'existe que dans le sens du mouvement. Dans la direction perpendiculaire, deux règles qui se croisent peuvent se comparer directement : aucune ne peut être plus courte que l'autre pour les deux observateurs.
Planche 4

La durée de vie des muons

Les rayons cosmiques créent à haute altitude des muons, des particules instables de durée de vie 2,197 µs au repos. Même à la vitesse de la lumière, ils parcourraient en moyenne 660 m. Partis de 10 km ou plus, ils ne devraient pas arriver au sol. Pourtant, en ce moment, des dizaines d'entre eux vous traversent chaque seconde.

Chaque point est un muon : il disparaît à l'instant tiré au sort de sa désintégration. Mêmes tirages à gauche et à droite, seule la durée de vie change.

Durée de la descente vue du sol
Durée vécue par le muon (temps propre)
Épaisseur d'air vue par le muon : H/γ
Survie sans dilatation (calcul / tirage)
Survie avec dilatation (calcul / tirage)
Récit du sol e^(−t/γτ) contre récit du muon e^(−(H/γ)/vτ) : écart

Fraction de muons encore en vie selon l'altitude de départ. Le point vert est le rapport mesuré par Frisch et Smith.

ExpérienceDispositifRésultat
Rossi et Hall, 1941Echo Lake (3 240 m) et Denver (1 616 m)Les muons rapides survivent plus longtemps que les lents, comme le prévoit γ.
Frisch et Smith, 1963Mont Washington (1 917 m) et Cambridge, Massachusetts563 muons/h au sommet, 412 au niveau de la mer, contre 27 attendus sans dilatation. Facteur mesuré : 8,8 ± 0,8.
Bailey et coll., 1977Anneau de stockage du CERN, γ = 29,33Durée de vie 64,368(29) µs pour les μ⁻. Accord à environ 2·10⁻³ avec la dilatation relativiste.
Ce qu'il faut retenir. Les deux récits ne se ressemblent pas : du sol, le muon vit plus longtemps ; pour lui, sa vie n'a pas changé, mais la montagne est plus basse. Ils donnent exactement le même nombre de survivants. Au mont Washington, le calcul simple donne ici muons/h pour 412 mesurés, car il suppose une vitesse constante : en réalité, le muon ralentit dans l'air, et son γ passe d'environ 10,2 à 6,8.
Planche 5 · signature

Le paradoxe des jumeaux et le rôle du changement de trajectoire

Paul Langevin le présente en 1911 : un voyageur part à grande vitesse, fait demi-tour et revient plus jeune que son jumeau. Mais le mouvement est relatif ! Du point de vue du voyageur, c'est la Terre qui s'éloigne et revient : ne devrait-elle pas être plus jeune ? Voici la réponse, en trois temps.

La symétrie est fausse : le jumeau resté sur Terre reste dans un seul référentiel inertiel. Le voyageur en change au demi-tour. À chaque changement, sa ligne de simultanéité bascule. Pour lui, la Terre ralentit à l'aller, ralentit au retour, mais au demi-tour, l'heure de la Terre qu'il dit « actuelle » saute.

La verticale est la Terre, le V est le voyageur. Sa ligne de simultanéité (bleue à l'aller, orange au retour) coupe la verticale à l'heure terrestre qu'il dit « actuelle ». La zone rouge est le saut.

Âge pris par le jumeau sur Terre : 2L/v
Âge pris par le voyageur : 2L/γv
Compte du voyageur : Terre à l'aller + au retour (ralentie)
Saut au demi-tour : 2βL/c
Total − âge réel du jumeau sur Terre
Vers Proxima, à 0,8 c : 10,6 ans sur Terre et 6,36 ans pour le voyageur. Son compte : 3,82 ans de vieillissement terrestre lent, et 6,78 ans de saut. Le saut n'est pas un événement physique sur Terre : il exprime seulement que le voyageur a changé d'étalon de simultanéité.

« C'est donc l'accélération qui rajeunit le voyageur ? » Non. Remplaçons le demi-tour instantané par un virage à accélération propre constante. La durée de vie accumulée pendant le virage devient négligeable quand on accélère davantage, alors que la différence d'âge se stabilise, et tend vers celle du demi-tour instantané. Seule la géométrie du trajet compte, et l'accélération n'en est que le moyen.

En bleu, la différence d'âge totale, en rouge la part produite pendant le virage, selon l'accélération (échelle logarithmique). Trajet : 4,24 al à 0,8 c.

Durée du virage, temps du voyageur
Différence d'âge produite pendant le virage
Différence d'âge totale (RK4)
Formule exacte : écart
Limite du demi-tour instantané
Part du virage
Il y a mieux : Bailey et ses collègues ont fait tourner des muons en cercle à environ 10¹⁸ g, et leur durée de vie suit γ comme si de rien n'était. L'accélération ne modifie pas directement le rythme d'une horloge (hypothèse de l'horloge). Il faut l'accélération pour revenir, et c'est ce qui rompt la symétrie, mais elle ne cause pas par elle-même le retard.

Dernière preuve : supprimons toute accélération. Une horloge A file vers Proxima et croise près de la Terre le jumeau resté à la maison, qui règle les montres. Au loin, elle croise une horloge B qui file en sens inverse, et B recopie sa lecture. B croise ensuite la Terre et compare. Personne n'a jamais accéléré.

Horloge A en bleu, horloge B en orange, Terre en vert. Le chiffre affiché suit le trajet A puis B.

Temps écoulé sur Terre
Lecture de B en arrivant à la Terre
Formule 2L/γv : écart
Accélération subie par les horlogesaucune
Le verdict. Le résultat est identique : le retard n'a pas besoin d'accélération. Ce qui compte est que le trajet A puis B ne soit pas une seule droite dans l'espace-temps. Le jumeau sur Terre suit le chemin droit, celui qui a le plus long temps propre. Le voyageur suit le chemin brisé : son temps propre est plus court. Le paradoxe n'existe que si l'on oublie que les deux trajets ne sont pas équivalents.

Une idée qui se mesure

Hafele et Keating, 1971 : quatre horloges au césium autour du monde, écart à l'horloge de référence, en ns
Sens du volPrévu, pesanteurPrévu, vitessePrévu, totalMesuré
Vers l'est+144 ± 14−184 ± 18−40 ± 23−59 ± 10
Vers l'ouest+179 ± 18+96 ± 10+275 ± 21+273 ± 7

Le GPS corrige des effets analogues chaque jour. La pesanteur, qui relève de la relativité générale, s'y ajoute à la vitesse : c'est pourquoi les chiffres dépassent ceux de cette seule page.

Un seul facteur

Durée : Δt = γΔτ. Longueur : L = L₀/γ. Ces deux effets sont un même fait vu différemment, et chacun le voit chez l'autre.

Deux grandeurs absolues

Le temps propre d'une horloge et la longueur propre d'une règle ne dépendent de personne. Ce sont les vraies propriétés physiques.

Pas de paradoxe

La réciprocité vaut entre référentiels inertiels. Les jumeaux qui se retrouvent ont des trajets différents : celui du chemin droit a le plus long temps propre.
Pour aller plus loin

Une règle contractée se voit-elle contractée ? Une mesure n'est pas une photographie. La lumière de ses différents points arrive avec des retards différents, et l'image semble plutôt tournée : c'est l'effet Terrell-Penrose, sujet de la page sur la géométrie de Minkowski.

Le voyageur a-t-il « vécu moins longtemps » ? Pas du tout de son point de vue : ses repas, ses battements de cœur et sa montre sont parfaitement normaux. Il est seulement arrivé dans le futur de la Terre plus vite que le jumeau resté à la maison.

Dans la même série. origines-relativite-v1.html, postulats-einstein-v1.html et simultaneite-v1.html pour ce qui précède, relativite-v1.html pour la vue d'ensemble, emc2-v1.html pour l'énergie.

Sources principales. Frisch et Smith, American Journal of Physics 31, 1963 ; Bailey et coll., Nature 268, 1977 ; Hafele et Keating, Science 177, 1972 ; Langevin, L'évolution de l'espace et du temps, 1911.