Espace-temps
L'espace-temps est un modèle mathématique qui réunit l'espace et le temps en une seule idée appelée continuum. Ce continuum quadridimensionnel est connu sous le nom d'espace de Minkowski.
La combinaison de ces deux idées a permis à la cosmologie de comprendre le fonctionnement de l'univers à grande échelle (par exemple, les galaxies) et à petite échelle (par exemple, les atomes).
Dans la mécanique classique non relativiste, l'utilisation de l'espace euclidien au lieu de l'espace-temps est bonne, car le temps est traité comme universel avec un taux de passage constant qui est indépendant de l'état de mouvement d'un observateur.
Mais dans un univers relativiste, le temps ne peut être séparé des trois dimensions de l'espace. En effet, la vitesse observée à laquelle le temps passe dépend de la vitesse d'un objet par rapport à l'observateur. De plus, la force de tout champ gravitationnel ralentit le passage du temps pour un objet vu par un observateur en dehors du champ.
Une illustration de la courbure de l'espace-temps causée par la Terre.
Autres aspects
Partout où la matière existe, elle courbe la géométrie de l'espace-temps. Il en résulte une forme incurvée de l'espace-temps qui peut être comprise comme la gravité. Les lignes blanches sur l'image de droite représentent l'effet de la masse sur l'espace-temps.
En mécanique classique, l'utilisation de l'espace-temps est optionnelle, car le temps est indépendant du mouvement dans les trois dimensions de l'espace euclidien. Cependant, lorsqu'un corps se déplace à des vitesses proches de la vitesse de la lumière (vitesses relativistes), le temps ne peut être séparé des trois dimensions de l'espace. Le temps, du point de vue d'un observateur stationnaire, dépend de la proximité de la vitesse de la lumière à laquelle l'objet se déplace.
Analogie bidimensionnelle de la distorsion de l'espace-temps
Origine historique
Beaucoup de gens associent l'espace-temps à Albert Einstein, qui a proposé une relativité spéciale en 1905. Cependant, c'est le professeur d'Einstein, Hermann Minkowski, qui a suggéré l'espace-temps, dans un essai de 1908. Son concept de l'espace de Minkowski est le premier à traiter l'espace et le temps comme les deux aspects d'un tout unifié, ce qui est l'essence de la relativité spéciale. Il espérait que cette nouvelle idée clarifierait la théorie de la relativité spéciale.
L'espace-temps de Minkowski n'est précis que pour décrire une vitesse constante. Mais c'est Einstein qui a découvert la courbure de l'espace-temps (gravité) dans la relativité générale. Dans la relativité générale, Einstein a généralisé l'espace-temps de Minkowski pour y inclure les effets de l'accélération. Einstein a découvert que la courbure dans sa représentation en 4 dimensions de l'espace-temps était en fait la cause de la gravité.
La treizième édition de l'Encyclopedia Britannica de 1926 comprenait un article d'Einstein intitulé "espace-temps".
Contexte littéraire
Edgar Allan Poe a écrit un essai sur la cosmologie intitulé Eureka (1848) qui disait que "l'espace et la durée ne font qu'un". C'est la première fois que l'on suggère que l'espace et le temps sont des perceptions différentes d'une même chose. Poe est arrivé à cette conclusion après environ 90 pages de raisonnement mais n'a pas utilisé de mathématiques.
En 1895, H.G. Wells écrivait dans son roman The Time Machine : "Il n'y a aucune différence entre le temps et les trois dimensions de l'espace, si ce n'est que notre conscience se déplace le long de celui-ci". Il ajoutait : "Les scientifiques... savent très bien que le Temps n'est qu'une sorte d'Espace".
L'espace-temps dans la mécanique quantique
Dans la relativité générale, l'espace-temps est considéré comme lisse et continu. Cependant, dans la théorie de la mécanique quantique, l'espace-temps n'est pas toujours continu.
Pages connexes
- Dimension
- Manifold
Questions et réponses
Q : D'après le texte, qu'est-ce que l'espace-temps ?
R : L'espace-temps est un modèle mathématique qui relie l'espace et le temps, formant un continuum à quatre dimensions connu sous le nom d'espace de Minkowski.
Q : Comment la combinaison de l'espace et du temps a-t-elle aidé la cosmologie ?
R : La combinaison de l'espace et du temps a permis à la cosmologie de mieux comprendre le fonctionnement de l'univers à la fois au niveau des grandes dimensions, comme les galaxies, et au niveau des petites dimensions, comme les atomes.
Q : Pourquoi l'utilisation de l'espace euclidien au lieu de l'espace-temps est-elle bonne dans la mécanique classique non relativiste ?
R : Dans la mécanique classique non relativiste, l'utilisation de l'espace euclidien est bonne parce que le temps est considéré comme universel avec un taux de passage constant qui est indépendant de l'état de mouvement de l'observateur.
Q : Pourquoi le temps est-il inséparable des trois dimensions de l'espace dans un univers relativiste ?
R : Le temps ne peut être séparé des trois dimensions de l'espace dans un univers relativiste parce que la vitesse à laquelle le temps s'écoule dépend de la vitesse d'un objet par rapport à l'observateur.
Q : Comment l'intensité d'un champ gravitationnel affecte-t-elle le passage du temps pour un objet ?
R : L'intensité d'un champ gravitationnel ralentit l'écoulement du temps pour un objet vu par un observateur extérieur au champ.
Q : Quel est le nom du continuum quadridimensionnel qui relie l'espace et le temps ?
R : Le continuum quadridimensionnel qui relie l'espace et le temps s'appelle l'espace de Minkowski.
Q : Comment la combinaison de l'espace et du temps a-t-elle aidé la cosmologie à comprendre l'univers ?
R : La combinaison de l'espace et du temps a aidé la cosmologie à mieux comprendre le fonctionnement de l'univers, tant au niveau des grandes dimensions, comme les galaxies, qu'au niveau des petites dimensions, comme les atomes.
