Erreur d'interprétation d'Einstein
Chapitre 2
Erreur d’interprétation d’Einstein dans l’expérience de pensée du train
Extrait du livre : Et il survolait les eaux — Vers une nouvelle vision du monde physique ?
L’expérience de pensée du train
« Jusqu’à présent notre réflexion avait en vue un corps de référence particulier, que nous désignons par la “voie ferrée”. Supposons un train très long se déplaçant sur cette dernière avec une vitesse constante v dans la direction indiquée sur la figure 1. Les voyageurs de ce train auront avantage de se servir du train comme corps de référence rigide (système de coordonnées), auquel ils rapporteront tous les événements.
Tout événement qui a lieu le long de la voie ferrée a aussi lieu en un point déterminé du train. La définition de la simultanéité peut aussi être formulée exactement de la même façon par rapport au train que par rapport à la voie. La question suivante se pose ainsi tout naturellement :
Deux événements—par exemple les deux éclairs A et B—qui sont simultanés par rapport à la voie sont-ils aussi simultanés par rapport au train ? Nous montrerons tout à l’heure que la réponse doit être négative.
Quand nous disons que les éclairs A et B sont simultanés par rapport à la voie ferrée, nous entendons par là que les rayons issus des points A et B se rencontrent au milieu M de la distance A-B située sur la voie. Mais aux événements A et B correspondent des endroits A et B dans le train. Soit M’ le milieu de la droite A-B du train en marche. Ce point M’ coïncide bien avec le point M à l’instant où se produisent les éclairs—vus du talus—, mais il se déplace sur le dessin vers la droite avec la vitesse v.
Si un observateur dans le train assis en M’ n’était pas entraîné avec cette vitesse, il resterait d’une façon permanente en M et les rayons lumineux issus de A et de B l’atteindraient simultanément. Mais, en réalité, il court—vu du talus—vers le rayon de lumière venant de B, tandis qu’il fuit devant celui qui vient de A. Il verra, par conséquent, le rayon de lumière qui vient de B plus tôt que celui qui vient de A.
Les observateurs qui se servent du train comme corps de référence doivent donc arriver à la conclusion que l’éclair B s’est produit antérieurement à l’éclair A.
Des événements qui sont simultanés par rapport à la voie ferrée ne sont pas simultanés par rapport au train, et inversement. Chaque corps de référence possède son temps propre ; une indication de temps n’a de sens que si l’on indique le corps de référence auquel elle se rapporte.1 »
L’erreur d’interprétation d’Einstein
« Deux événements—par exemple les deux éclairs A et B—qui sont simultanés par rapport à la voie sont-ils aussi simultanés par rapport au train ? Nous montrerons tout à l’heure que la réponse doit être négative. »
Le principe de relativité de la simultanéité au niveau physique
Une fois que l’on a compris que l’invariance de la vitesse de la lumière implique la relativité de la simultanéité au niveau physique, tout le reste en découle.
Il n’existe sans doute qu’une manière de définir cette relativité : dans l’expérience de pensée du train d’Einstein, les deux rayons lumineux sont émis simultanément pour l’observateur de la gare, mais non pour celui du train.
Pour l’observateur de la gare
Les deux rayons lumineux sont émis lorsque les deux observateurs se trouvent à la même distance des deux sources lumineuses, c’est-à-dire lorsqu’ils sont l’un en face de l’autre.
Pour l’observateur du train
Le rayon lumineux situé à l’avant du train est émis avant celui situé à l’arrière. Lorsque les deux observateurs sont l’un en face de l’autre, le rayon à l’avant a déjà été émis, tandis que celui à l’arrière ne le sera que lorsque l’observateur du train se situera un peu plus loin.
Le point central de l’argument
Lorsque les deux observateurs sont à la même distance des deux sources lumineuses, le rayon lumineux situé à l’arrière du train est censé exister vis-à-vis de l’observateur de la gare, mais non vis-à-vis de celui du train.
C’est cela que je désigne comme la relativité de la simultanéité au niveau physique : le passage de l’idée de relativité de la simultanéité à un principe physique implicitement impliqué.
Le rayon lumineux existera vis-à-vis de l’observateur du train lorsque celui-ci se trouvera un peu plus loin, voire beaucoup plus loin si les sources lumineuses sont très éloignées. C’est ce qui est impliqué par l’expérience de pensée du train d’Einstein, même si cela n’est pas formulé explicitement.
Du train à l’objection de la navette et du missile
L’observateur de la gare, une fois que le rayon lumineux a été émis pour lui, peut accélérer et rejoindre l’observateur du train avant que ce rayon ait été émis pour celui-ci.
Le rayon lumineux—que l’on peut remplacer par n’importe quel corps—qui a existé vis-à-vis de l’observateur de la gare devrait, par la suite, ne pas avoir encore existé vis-à-vis de ce même observateur.
On se retrouve ainsi dans le cas de l’objection de la navette et du missile . Cela apparaît impossible dès lors que l’on prend en compte l’existence du missile telle qu’elle est représentée sur le diagramme d’espace-temps .
Pour parvenir à une telle configuration, il est bien sûr nécessaire de prendre en considération des distances très importantes.
La relativité de la simultanéité au niveau physique est un principe impliqué par la relativité restreinte. Elle possède une portée métaphysique et ne peut pas être vérifiée immédiatement. Toutefois, on peut montrer qu’elle conduit à des contradictions.
Cela signifie, selon mon raisonnement, qu’il existe une simultanéité absolue au niveau physique, en l’absence d’une troisième possibilité. Cette simultanéité absolue possède elle aussi une portée métaphysique et ne peut pas être vérifiée directement, puisqu’on ne peut pas établir avec certitude si deux événements distants sont simultanés.
Reconnaître la nécessité d’une simultanéité absolue au niveau physique conduirait à un changement complet du paradigme conceptuel de la physique.
L’objection de la navette et du missile
J’ai abordé ce sujet dans mon livre précédent. Une présentation plus développée est disponible dans Paradoxe sur l’invariance de la vitesse de la lumière 2.
Si l’on prend en compte ce qui est impliqué par la relativité de la simultanéité au niveau physique, on parvient à deux calculs contradictoires concernant la position d’un missile par rapport à une navette qui a accéléré.
Premier calcul : le missile a déjà parcouru 100 mètres avant l’accélération de la navette. Celle-ci commence donc le calcul de sa trajectoire à partir de cette position.
Second calcul : après son accélération, la navette considère, d’après le nouvel hyperplan de simultanéité représenté sur le diagramme, que le missile n’est pas encore parti. Elle recommence alors son calcul en prenant pour origine le point de départ du missile.
Les deux calculs ne peuvent pas indiquer le même moment d’arrivée du missile puisque, selon le premier, celui-ci a déjà parcouru plus de 100 mètres, tandis que, selon le second, il n’est pas encore parti. Ces deux calculs sont pourtant effectués au même instant depuis la navette.
La différence entre les deux calculs repose entièrement sur l’adoption de la relativité de la simultanéité au niveau physique, et non sur une imprécision dans le calcul de la trajectoire. Pour que cette différence apparaisse de manière évidente, le missile doit être situé à une très grande distance de la navette.
Conclusion
La relativité de la simultanéité au niveau physique est, selon mon analyse, un principe impliqué par la relativité restreinte et possédant une portée métaphysique.
En prenant en compte l’existence du corps en fonction de ce qui est représenté sur le diagramme d’espace-temps, on aboutit à deux calculs contradictoires concernant la position du missile. Cela montrerait, y compris sur le plan mathématique, qu’une telle relativité de la simultanéité est impossible.
Il existerait donc une simultanéité absolue au niveau physique, en l’absence d’une troisième possibilité.3
Dès lors, la vitesse de la lumière ne pourrait pas être physiquement invariante dans toutes les configurations. Cette conclusion serait susceptible de conduire la physique à un important changement de paradigme concernant son système conceptuel.
Notes
[1] Einstein, A., La théorie de la relativité restreinte et générale, p. 28-29, Gauthier-Villars.
[2] Pour approfondir ce sujet, se reporter à mon livre Paradoxe sur l’invariance de la vitesse de la lumière , dans lequel la démonstration est plus développée.
[3] Il n’y a pas de troisième possibilité car, dès lors que l’on considère qu’un corps existe « vis-à-vis » de A, ou bien il existe également « vis-à-vis » de B, ou bien il n’existe pas vis-à-vis de B.