Demandez à Ethan: Pourquoi le temps devrait-il être une dimension?

La prise de vue image par image nous rappelle que les photographies sont des photos prises à un certain endroit à un certain moment, et chaque moment suivant diffère du précédent

Lorsque nous imaginons les façons de se déplacer dans l'Univers, nous rappelons immédiatement trois dimensions. Droite-gauche, avant-arrière et haut-bas: trois directions indépendantes du réseau cartésien. Tous sont considérés comme des dimensions spatiales. Mais nous parlons souvent d'une autre dimension, d'un type différent: temporaire. Mais qu'est-ce qui fait du temps une mesure? Cette semaine, le lecteur pose la question suivante:

J'ai toujours été surpris par le continuum, composé de dimensions 3 + 1, d'espace et de temps. Pourquoi écrivent-ils toujours sur trois dimensions spatiales et une temporaire?

Nous commençons par étudier les trois dimensions de l'espace que nous connaissons.


A la surface de la Terre, deux coordonnées, latitude et longitude, suffisent pour déterminer la position

À la surface de la Terre, nous avons généralement besoin de deux coordonnées pour déterminer l'emplacement: latitude et longitude, ou position le long des axes dirigés du nord au sud et d'ouest en est. Si vous voulez aller sous terre ou vous élever au-dessus de la surface, pour décrire votre position, vous aurez besoin d'une troisième coordonnée - hauteur / profondeur, ou votre position le long de l'axe vertical. En effet, si quelqu'un se trouve exactement là où vous êtes, en termes de latitude et de longitude, mais en même temps qu'il se trouve dans un tunnel souterrain ou dans un hélicoptère au-dessus de votre tête - vous ne pouvez pas dire qu'il est au même endroit que vous. Trois informations indépendantes sont nécessaires pour décrire votre position dans l'espace.


Votre position dans l'Univers est décrite non seulement par des coordonnées spatiales (où), mais aussi temporaire (quand)

Mais l'espace-temps est plus compliqué que l'espace. La position de la chaise sur laquelle vous êtes actuellement assis peut être décrite par trois coordonnées - x, y et z. Mais maintenant vous êtes assis dessus, et il y a une heure, hier ou dix ans, cela ne pouvait pas être ainsi. Pour décrire l'événement, la connaissance de l'endroit où il se produit n'est pas suffisante; en outre, vous devez savoir quand, c'est-à-dire, vous avez besoin d'une coordonnée temporelle, t. Pour la première fois, cela a joué un grand rôle dans la théorie de la relativité lorsque nous avons discuté du problème de la simultanéité. Imaginez deux endroits différents reliés par le chemin dans lequel deux personnes vont, chacune de leur place, à une autre.


Deux points reliés par un chemin linéaire unidimensionnel

Leur campagne peut être imaginée en plaçant deux doigts de mains différentes sur deux points de départ et en les tirant vers la cible. À un moment donné, ils devront se croiser, c'est-à-dire que vos doigts seront au même endroit en même temps. Dans la théorie de la relativité, cela est connu comme un événement simultané, et cela ne peut se produire que lorsque toutes les composantes spatiales et toutes les composantes temporelles de deux objets physiques différents coïncident.

Il n'y a rien de contradictoire à cela, et cela explique pourquoi nous devons considérer le temps comme la dimension dans laquelle nous nous déplaçons, comme n'importe quelle dimension spatiale. Mais c'est la STO d'Einstein qui a incité son ancien professeur German Minkowski à développer une théorie qui combine trois dimensions spatiales et une dimension temporelle.


Que l'espace soit plat ou incurvé, le voyage dans l'espace affecte le voyage dans le temps

Nous comprenons que pour se déplacer dans l'espace, vous devez vous déplacer dans le temps; si en ce moment vous êtes ici, vous ne pouvez pas être à un autre endroit en même temps - vous ne pouvez y arriver que plus tard. En 1905, la STO d'Einstein nous a appris que la vitesse de la lumière est la limite universelle de vitesse, lorsque vous vous en approchez, vous commencez à expérimenter d'étranges phénomènes de dilatation du temps et de raccourcissement des distances. Mais la plus grande percée s'est produite en 1907, lorsque Minkowski s'est rendu compte que la conclusion surprenante découle de la relativité d'Einstein: d'un point de vue mathématique, le temps se comporte comme l'espace, à l'exception de c, la vitesse de la lumière dans le vide, et i, une unité imaginaire √ ( -1).


Un exemple de cône lumineux, une surface tridimensionnelle de tous les rayons lumineux possibles arrivant à un point dans l'espace-temps et émanant de celui-ci

Si vous additionnez toutes ces découvertes ensemble, vous obtenez une nouvelle image de l'Univers associé à notre mouvement dans son cadre:

• Si vous ne bougez pas et restez au même endroit dans l'espace, vous vous déplacez dans le temps à la vitesse maximale.
• Plus vous vous déplacez rapidement dans l'espace, plus vous vous déplacez lentement dans le temps et plus les distances spatiales sont courtes dans votre sens de déplacement.
• Si vous n'avez pas de masse, vous ne pouvez vous déplacer qu'à la vitesse de la lumière, se déplaçant instantanément dans le sens de votre mouvement, sans aucun passage de temps. [plus précisément, du point de vue d'une particule sans masse, elle ne bouge pas et le temps ne bouge pas - env. perev.]


Pour un observateur immobile, le temps passe bien, et pour un déplacement rapide dans l'espace, l'horloge va plus lentement que pour un immobile

D'un point de vue physique, les conséquences sont stupéfiantes. Cela signifie que toutes les particules sans masse sont inhérentes à la stabilité, car il n'y a pas de flux de temps pour elles. Cela signifie que des particules instables comme le muon créé dans la haute atmosphère peuvent atteindre la surface de la Terre, malgré le fait qu'en multipliant leur durée de vie (2,2 μs) par la vitesse de la lumière, nous obtenons une distance de 660 mètres, ce qui est beaucoup moins le chemin qu'ils doivent suivre. Et cela signifie que si vous prenez une paire de jumeaux identiques, en laissez un sur Terre et envoyez l'autre dans un voyage relativiste dans l'espace, alors le deuxième jumeau sera plus jeune que le premier à son retour, car il lui passera moins de temps.


Mark et Scott Kelly au Johnson Space Center. L'un d'eux a passé un an dans l'espace et vieilli un peu moins, tandis que l'autre est resté sur Terre.

Comme Minkowski l'a écrit en 1908:

Les théories de l'essence de l'espace et du temps que je veux vous démontrer se sont développées sur la base de la physique expérimentale, d'où leur force. Ils sont radicaux. Désormais, l'espace en soi et le temps en lui-même sont voués à se transformer en ombres, et seule leur unification restera une réalité indépendante.

Aujourd'hui, la formulation de l'espace-temps est encore plus générale, la courbure inhérente à l'espace y est incluse - c'est ainsi que la STO est généralisée. Mais la raison pour laquelle le temps a la même dimension que l'espace est parce que nous le traversons constamment, et nous l'écrivons sous la forme «3 + 1» (et pas seulement 4) car une augmentation du mouvement dans l'espace réduit le mouvement à travers le temps et vice versa.


La caméra prédit le mouvement d'un objet dans le temps - l'une des applications pratiques de l'idée du temps comme mesure



Il est intéressant que tout le monde, quel que soit son mouvement dans l'espace par rapport à tout le monde, verra les mêmes règles, les mêmes actions et les mêmes conséquences. Si le temps n'était pas une telle dimension, les lois de la relativité ne fonctionneraient pas et le concept d'espace absolu pourrait être justifié. Pour que la physique fonctionne comme elle fonctionne, nous avons besoin de temps pour avoir la propriété de la mesure, et l'Univers nous fournit constamment de tels phénomènes.

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].