L’astronaute en orbite basse…
Comme vous ne l’ignoriez pas, vous êtes bombardé en
permanence par une dizaine de milliers de muons cosmiques.
On a beau ne pas s’en rendre compte, cela reste vertigineux.
Ce qui est très curieux, c’est que ces muons sont des particules particulièrement instables, qui ne vivent en moyenne que 2,2 microsecondes avant de se désintégrer en électrons !
Mais alors, d’où viennent-ils et comment nous atteignent-ils ?
Curieusement, la réponse a à voir avec l’âge du capitaine, ou plutôt celui de la colonelle Sophie Adenot quand elle reviendra de la station spatiale internationale et qu’elle aura cessé de me tourner autour.
Rappelons que les rayons cosmiques primaires arrivent
de l’espace, comme leur nom l’indique.
Ce sont essentiellement des protons.
Quand des rayons cosmiques atteignent la haute atmosphère terrestre (entre quinze et vingt kilomètres d’altitude), ils frappent des atomes d’azote et d’oxygène.
Ces collisions produisent des « pions chargés », des particules instables qui se désintègrent quasi instantanément en muons.
En 2,2 microsecondes, même à la vitesse ultra-proche de celle de la lumière à laquelle il se déplace, un muon ne parcourt pas plus de 660 mètres.
S’il est créé à quinze kilomètres d’altitude, jamais il ne peut arriver sur Terre.
Mais alors, comment se fait-il que nous soyons bombardés de muons à chaque instant ?
Pour le comprendre, il faut faire un voyage dans le
temps, à la découverte de Galilée et Einstein, et dans l’espace, en compagnie
de l’astronaute Sophie Adenot.
Galilée avait posé le principe de la relativité.
Il avait pris l’exemple de la cale d’un bateau.
Mais l’exemple du train est plus stable qu’un bateau qui tangue et ça fonctionne de la même façon : Imaginez que vous placez un laboratoire de physique dans un train, laboratoire fermé et sans accès au monde extérieur.
Vous pouvez y faire toutes les expériences de physique que vous voulez, vous ne pourrez pas détecter si le train est en mouvement ou bien s’il est au repos. Attention toutefois, il ne faut pas que le train accélère, sinon des forces fictives apparaissent dans le laboratoire et vous pouvez en déduire le mouvement du train !
Ce premier principe de relativité a deux conséquences
incroyables : La première est que le mouvement est relatif (on se déplace
toujours par rapport à quelque chose) et la seconde est que le repos absolu
n’existe pas.
Et toute cette discussion part d’un présupposé implicite, tellement implicite qu’on ne l’avait pas évoqué : Le temps est absolu.
C’est le même temps, la même horloge pour l’observateur dans le train et pour un observateur à la gare. Le temps s’écoule de manière uniforme, c’est une sorte de grille rigide qui séquence l’espace.
Or, pour sauver le principe de relativité, Albert Einstein avait englobé le temps dans le référentiel lui-même.
Dès lors, le temps n’est plus absolu, il devient relatif.
Chaque observateur mesure son temps à lui, qu’on appelle « temps propre ».
Et il n’y a pas de temps qui est meilleur qu’un autre, le tout est de bien distinguer de quel temps on parle.
Le cadre de référence n’est plus l’espace relatif auquel on ajoute un temps absolu, mais un espace-temps relatif.
D’où le terme de théorie de la relativité bien sûr.
En 1911, Paul
Langevin popularise une conséquence troublante de la relativité
d’Einstein : C’est le paradoxe des jumeaux.
Il faut imaginez deux jumeaux Alice et Bob. Alice part dans un voyage vers Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche de la Terre (après le Soleil bien sûr).
Cette étoile se trouve à un peu plus de quatre années-lumière de la Terre.
Mettons qu’Alice file dans un vaisseau spatial à 99 % de la vitesse de la lumière.
Elle part de la Terre, arrive à Proxima du Centaure et puis fait demi-tour et revient, sans même s’arrêter pour boire un café.
Bob voit Alice faire ce déplacement quasiment à la vitesse de la lumière pendant qu’il reste sur la Terre.
Vu que Proxima du Centaure se trouve à quatre années-lumière, Bob mesure huit ans entre le départ et le retour d’Alice. Huit vraies années.
Bob aura fêté huit fois son anniversaire, il aura mangé huit fois du gâteau et soufflé huit fois les bougies.
Comme Alice se déplace à des vitesses incroyables (99
% de la vitesse de la lumière), Bob voit l’horloge d’Alice se dilater par
rapport à la sienne.
Les physiciens peuvent vous calculer cette chose précisément, c’est le facteur de dilatation.
Dans notre cas, c’est un facteur sept : Dans son vaisseau, Alice voit 1,143 an s’écouler (huit divisé par sept), soit 13 mois et 22 jours. Alice aura fêté un seul anniversaire dans son vaisseau, elle aura mangé une seule fois du gâteau et soufflé une seule fois les bougies.
Quand elle rejoint Bob sur Terre, elle trouve un Bob plus vieux de huit ans alors qu’elle-même est plus vieille d’un peu plus d’un an.
C’est la première partie du paradoxe des jumeaux, dans sa version faible.
L’autre partie du paradoxe des jumeaux est un petit
jeu mental, que Richard
Feynman a développé de la manière la plus claire possible dans ses
cours de physique.
Pour Alice dans sa fusée, c’est Bob qui s’éloigne, Alice ne bouge pas par rapport à la fusée. Donc Alice imagine que Bob devrait être plus jeune car c’est Bob qui a bougé par rapport à Alice.
La situation semble symétrique entre Alice et Bob et on ne sait pas savoir quel jumeau doit être plus jeune que l’autre.
Assurément, ils ne peuvent pas être tous deux plus jeunes en même temps. Et c’est là exactement la « version forte » du paradoxe des jumeaux.
En vérité, on a l’impression que la situation est symétrique mais elle ne l’est pas vraiment.
Tant qu’Alice s’éloigne de Bob, il est impossible de dire qui est en mouvement dans l’absolu, car comme on l’a vu le mouvement est relatif.
Sauf qu’Alice doit faire demi-tour à Proxima du Centaure pour revenir sur Terre.
En faisant son demi-tour, elle voit bien que c’est elle qui bouge alors que Bob reste à la maison tranquille devant son poste télé.
Donc, Alice fait un demi-tour, Bob ne fait pas de demi-tour, c’est bien Alice qui bouge, la situation n’est pas symétrique, Alice sera plus jeune.
Dans la Station spatiale internationale, l’astronaute
Sophie Adenot ne se déplace pas à des vitesses proches de la lumière, néanmoins
la vitesse reste conséquente par rapport à celles que nous avons l’habitude de
traiter sur Terre.
La Station se déplace à 27.600 kilomètres par heure, le facteur de dilatation est faible mais non négligeable.
Ceci étant, Sophie Adenot restera neuf mois dans la station. À la fin du voyage, elle bénéficiera quand même de l’effet relativiste : Elle sera plus jeune de six millisecondes par rapport à nous, qui sommes restés sur le plancher des vaches.
Si Sophie Adenot avait eu une sœur ou un frère jumeau, elle serait à jamais plus jeune que son jumeau.
Six millisecondes, ça vous paraît imperceptible à l’échelle humaine ? Pourtant, la finale du cent mètres homme des Jeux olympiques de Paris 2024 s’est gagnée sur moins que ça : C’étaient cinq millisecondes !
Pour en revenir à nos muons, il faut considérer que
comme ils se déplacent dans l’espace à des vitesses approchant celle de la
lumière, leur horloge à eux est très dilatée par rapport à la nôtre.
Dans leurs référentiels à eux, 2,2 microsecondes sont amplement suffisantes pour parcourir les quelques quinze ou vingt kilomètres qui les séparent de la surface de la Terre.
Et la mesure directe a été affinée en 1963 en comparant le flux de muons au sommet du mont Washington et celui au niveau de la mer.
L’exemple des muons est d’ailleurs l’exemple canonique qu’avait pris Feynman pour illustrer la dilatation du temps dans son fameux cours de physique.
C’est ainsi que Sophie Adenot et les muons cosmiques
ont un point commun : Tous les deux voyagent avec une horloge ralentie
depuis la Terre et Sophie Adenot exploite en plus le paradoxe des jumeaux.
Dans la réalité des choses, il y a deux composantes dans les 6 millisecondes d’écart : La relativité générale et la relativité restreinte.
La vitesse de la station orbitale ralentit l’écoulement du temps (le coefficient de dilatation). Mais la gravité de la planète déforme l’espace-temps tel que plus on se rapproche de son centre de gravité, plus le temps ralentit son écoulement.
Et les 300 kilomètres d’altitude de la station orbitale sont suffisants pour l’accélérer cet écoulement du temps en orbite.
Autrement dit, les 6 millisecondes de rajeunissement (relatif) de Sophie sont la résultante des deux composantes antagonistes de la dilatation du temps en basse altitude.
Et il en va de même pour les muons qui vous bombardent par millions sans que ça ne vous gêne nullement pendant votre lecture de ce post.
Mais ce qui oblige aussi et d’ailleurs vos GPS à recalculer en permanence de référentiel temporel de vos appareils de lecture du signal reçu des satellites qui vous espionnent…
Ça méritait d’être précisé, tellement tout cela peut
vous paraître évident comme coulant de source tel qu’on n’y prend même pas
garde alors que ça se passe sous notre nez !
Bon début de semaine à toutes et tous !
I3
Pour mémoire (n’en déplaise à «
Pal-Poux-tine ») : LE PRÉSENT BILLET A ENCORE ÉTÉ RÉDIGÉ PAR UNE PERSONNE « NON
RUSSE » ET MIS EN LIGNE PAR UN MÉDIA DE MASSE « NON RUSSE », REMPLISSANT DONC
LES FONCTIONS D’UN AGENT « NON RUSSE » !
Post-scriptum : Alexeï Navalny est mort en détention pour ses opinions politiques. Les Russes se condamnent à perpétuité à en supporter toute la honte !
Постскриптум: Алексей Навальный умер в заключении за свои политические взгляды. Россияне обрекают себя на всю жизнь нести весlь позор!
Pétition · Renommez la rue de l’ambassade de Russie à Paris en rue Alexeï Navalny - France · Change.org
On a beau ne pas s’en rendre compte, cela reste vertigineux.
Ce qui est très curieux, c’est que ces muons sont des particules particulièrement instables, qui ne vivent en moyenne que 2,2 microsecondes avant de se désintégrer en électrons !
Mais alors, d’où viennent-ils et comment nous atteignent-ils ?
Curieusement, la réponse a à voir avec l’âge du capitaine, ou plutôt celui de la colonelle Sophie Adenot quand elle reviendra de la station spatiale internationale et qu’elle aura cessé de me tourner autour.
Ce sont essentiellement des protons.
Quand des rayons cosmiques atteignent la haute atmosphère terrestre (entre quinze et vingt kilomètres d’altitude), ils frappent des atomes d’azote et d’oxygène.
Ces collisions produisent des « pions chargés », des particules instables qui se désintègrent quasi instantanément en muons.
En 2,2 microsecondes, même à la vitesse ultra-proche de celle de la lumière à laquelle il se déplace, un muon ne parcourt pas plus de 660 mètres.
S’il est créé à quinze kilomètres d’altitude, jamais il ne peut arriver sur Terre.
Mais alors, comment se fait-il que nous soyons bombardés de muons à chaque instant ?
Galilée avait posé le principe de la relativité.
Il avait pris l’exemple de la cale d’un bateau.
Mais l’exemple du train est plus stable qu’un bateau qui tangue et ça fonctionne de la même façon : Imaginez que vous placez un laboratoire de physique dans un train, laboratoire fermé et sans accès au monde extérieur.
Vous pouvez y faire toutes les expériences de physique que vous voulez, vous ne pourrez pas détecter si le train est en mouvement ou bien s’il est au repos. Attention toutefois, il ne faut pas que le train accélère, sinon des forces fictives apparaissent dans le laboratoire et vous pouvez en déduire le mouvement du train !
Et toute cette discussion part d’un présupposé implicite, tellement implicite qu’on ne l’avait pas évoqué : Le temps est absolu.
C’est le même temps, la même horloge pour l’observateur dans le train et pour un observateur à la gare. Le temps s’écoule de manière uniforme, c’est une sorte de grille rigide qui séquence l’espace.
Or, pour sauver le principe de relativité, Albert Einstein avait englobé le temps dans le référentiel lui-même.
Dès lors, le temps n’est plus absolu, il devient relatif.
Chaque observateur mesure son temps à lui, qu’on appelle « temps propre ».
Et il n’y a pas de temps qui est meilleur qu’un autre, le tout est de bien distinguer de quel temps on parle.
Le cadre de référence n’est plus l’espace relatif auquel on ajoute un temps absolu, mais un espace-temps relatif.
D’où le terme de théorie de la relativité bien sûr.
Il faut imaginez deux jumeaux Alice et Bob. Alice part dans un voyage vers Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche de la Terre (après le Soleil bien sûr).
Cette étoile se trouve à un peu plus de quatre années-lumière de la Terre.
Mettons qu’Alice file dans un vaisseau spatial à 99 % de la vitesse de la lumière.
Elle part de la Terre, arrive à Proxima du Centaure et puis fait demi-tour et revient, sans même s’arrêter pour boire un café.
Bob voit Alice faire ce déplacement quasiment à la vitesse de la lumière pendant qu’il reste sur la Terre.
Vu que Proxima du Centaure se trouve à quatre années-lumière, Bob mesure huit ans entre le départ et le retour d’Alice. Huit vraies années.
Bob aura fêté huit fois son anniversaire, il aura mangé huit fois du gâteau et soufflé huit fois les bougies.
Les physiciens peuvent vous calculer cette chose précisément, c’est le facteur de dilatation.
Dans notre cas, c’est un facteur sept : Dans son vaisseau, Alice voit 1,143 an s’écouler (huit divisé par sept), soit 13 mois et 22 jours. Alice aura fêté un seul anniversaire dans son vaisseau, elle aura mangé une seule fois du gâteau et soufflé une seule fois les bougies.
Quand elle rejoint Bob sur Terre, elle trouve un Bob plus vieux de huit ans alors qu’elle-même est plus vieille d’un peu plus d’un an.
C’est la première partie du paradoxe des jumeaux, dans sa version faible.
Pour Alice dans sa fusée, c’est Bob qui s’éloigne, Alice ne bouge pas par rapport à la fusée. Donc Alice imagine que Bob devrait être plus jeune car c’est Bob qui a bougé par rapport à Alice.
La situation semble symétrique entre Alice et Bob et on ne sait pas savoir quel jumeau doit être plus jeune que l’autre.
Assurément, ils ne peuvent pas être tous deux plus jeunes en même temps. Et c’est là exactement la « version forte » du paradoxe des jumeaux.
En vérité, on a l’impression que la situation est symétrique mais elle ne l’est pas vraiment.
Tant qu’Alice s’éloigne de Bob, il est impossible de dire qui est en mouvement dans l’absolu, car comme on l’a vu le mouvement est relatif.
Sauf qu’Alice doit faire demi-tour à Proxima du Centaure pour revenir sur Terre.
En faisant son demi-tour, elle voit bien que c’est elle qui bouge alors que Bob reste à la maison tranquille devant son poste télé.
Donc, Alice fait un demi-tour, Bob ne fait pas de demi-tour, c’est bien Alice qui bouge, la situation n’est pas symétrique, Alice sera plus jeune.
La Station se déplace à 27.600 kilomètres par heure, le facteur de dilatation est faible mais non négligeable.
Ceci étant, Sophie Adenot restera neuf mois dans la station. À la fin du voyage, elle bénéficiera quand même de l’effet relativiste : Elle sera plus jeune de six millisecondes par rapport à nous, qui sommes restés sur le plancher des vaches.
Si Sophie Adenot avait eu une sœur ou un frère jumeau, elle serait à jamais plus jeune que son jumeau.
Six millisecondes, ça vous paraît imperceptible à l’échelle humaine ? Pourtant, la finale du cent mètres homme des Jeux olympiques de Paris 2024 s’est gagnée sur moins que ça : C’étaient cinq millisecondes !
Dans leurs référentiels à eux, 2,2 microsecondes sont amplement suffisantes pour parcourir les quelques quinze ou vingt kilomètres qui les séparent de la surface de la Terre.
Et la mesure directe a été affinée en 1963 en comparant le flux de muons au sommet du mont Washington et celui au niveau de la mer.
L’exemple des muons est d’ailleurs l’exemple canonique qu’avait pris Feynman pour illustrer la dilatation du temps dans son fameux cours de physique.
Dans la réalité des choses, il y a deux composantes dans les 6 millisecondes d’écart : La relativité générale et la relativité restreinte.
La vitesse de la station orbitale ralentit l’écoulement du temps (le coefficient de dilatation). Mais la gravité de la planète déforme l’espace-temps tel que plus on se rapproche de son centre de gravité, plus le temps ralentit son écoulement.
Et les 300 kilomètres d’altitude de la station orbitale sont suffisants pour l’accélérer cet écoulement du temps en orbite.
Autrement dit, les 6 millisecondes de rajeunissement (relatif) de Sophie sont la résultante des deux composantes antagonistes de la dilatation du temps en basse altitude.
Et il en va de même pour les muons qui vous bombardent par millions sans que ça ne vous gêne nullement pendant votre lecture de ce post.
Mais ce qui oblige aussi et d’ailleurs vos GPS à recalculer en permanence de référentiel temporel de vos appareils de lecture du signal reçu des satellites qui vous espionnent…
Post-scriptum : Alexeï Navalny est mort en détention pour ses opinions politiques. Les Russes se condamnent à perpétuité à en supporter toute la honte !
Постскриптум: Алексей Навальный умер в заключении за свои политические взгляды. Россияне обрекают себя на всю жизнь нести весlь позор!
Pétition · Renommez la rue de l’ambassade de Russie à Paris en rue Alexeï Navalny - France · Change.org
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