Théorie de la relativité d'Einstein : pourquoi notre tête est-elle plus vieille que nos pieds ?

En 1971, lors d'une des plus fantastiques expériences scientifiques de l'histoire récente, les physiciens Joseph Hafele et Richard Keating ont emporté quatre horloges atomiques, capables de ne pas perdre plus d'une seconde en 30 millions d'années, dans un vol commercial qui a d'abord voyagé vers l'ouest, puis vers l'est autour du monde avant de retourner à leur laboratoire à Washington DC.

L'expérience a été un test d'un principe central de la théorie de la relativité d'Albert Einstein, selon lequel le temps n'est pas universel, c'est-à-dire que plus on se déplace rapidement, plus le temps passe lentement pour soi.

L'effet est minime, dit l'astrophysicien britannique et professeur d'astrophysique à l'Université d'Oxford, Chris Lintott, dans une chronique pour BBC Future. Si vous prenez un vol transatlantique de Londres à New York, votre montre sera en retard d'un dixième de millionième de seconde par rapport à une montre restée au sol. Cependant, vous aurez vieilli un peu moins vite que si vous étiez resté chez vous.

Votre tête est plus vieille que vos pieds

La gravité influence aussi la théorie de la relativité. Si vous vous éloignez de la force gravitationnelle de la Terre, le temps s'accélère. Lintott dit que cela affecte notre propre corps : cela signifie, par exemple, que votre tête sera légèrement plus vieille que vos pieds.

Encore une fois, l'effet est incroyablement petit, mais à des distances plus grandes de la Terre, il devient pertinent. Le système GPS sur lequel nous comptons tous pour la navigation, dont les satellites orbitent à 20 000 km au-dessus de la Terre, doit en tenir compte pour fonctionner correctement.

L'effet de la relativité sur les trous noirs

Lintott dit qu'autour des trous noirs, ces effets relativistes deviennent beaucoup plus prononcés.

Pour comprendre pourquoi, l'astrophysicien vous invite à imaginer tomber dans un trou noir. (Supposons que vous voyagez dans un vaisseau magique qui vous protège de l'effet de "spaghettification", l'étirement terminal qui arrive à tout objet qui s'approche trop d'un trou noir).

En tombant, vous ne remarquez aucune différence temporelle en vous-même ou dans votre environnement. En regardant votre montre ou en mesurant votre pouls, vous constaterez le même rythme constant à mesure que, seconde après seconde, le désastre s'approche.

Mais si les instruments de votre vaisseau vous permettent de regarder l'univers en dehors du trou noir, vous pourriez remarquer quelque chose d'étrange : il vous semblera que les événements là-bas s'accélèrent.

Si vous pouviez voir la Terre à travers un télescope, vous verriez le futur de notre planète et de notre espèce se dérouler, comme dans un film accéléré. Si vous pouviez capter un signal de télévision, vous pourriez regarder les dernières transmissions de l'humanité jusqu'à ce que l'évolution du Soleil en une géante rouge engloutisse la planète, bien que cela se produise à grande vitesse.

Changeons maintenant de perspective. Imaginez que vous êtes dans une station spatiale en orbite à une distance sûre du trou noir, observant votre collègue courageux ou malchanceux tomber dedans. La limite du trou noir, telle que vous la voyez, est l'horizon des événements, le point au-delà duquel même les objets se déplaçant à la vitesse de la lumière ne peuvent échapper. On pourrait s'attendre à ce que notre ami, une fois ce point atteint, disparaisse.

Ce que vous verriez réellement serait quelque chose de très étrange, selon Lintott. S'ils vous font signe, vous les verriez agiter de plus en plus lentement à mesure qu'ils se rapprochent du puits gravitationnel du trou noir. Une horloge montée à l'extérieur du vaisseau spatial semblerait fonctionner plus lentement que celle montée dans notre station.

Ce phénomène est exploré dans le film "Interstellar", dans lequel les astronautes explorant une planète près d'un trou noir découvrent que l'univers a continué sans eux.

Comme le film le montre clairement, il n'a pas de sens de se demander si le temps passé près ou loin du trou noir est le "bon" temps. La relativité nous dit qu'il n'y a pas de telle chose.

Bien que nous ne le voyions jamais de l'extérieur, notre passager malheureux finira par traverser l'horizon des événements, la frontière d'où même la lumière ne peut s'échapper. C'est le point de non-retour et, au-delà, notre voyageur sera poussé vers le centre du trou noir. Cela signifie que son expérience du temps peut changer radicalement et qu'il pourrait même être capable de voyager dans le temps, en arrière et en avant.