Si la lumière se propageait instantanément d’un bout à l’autre de l’univers, tous les observateurs seraient informés simultanément d’un événement, quel que soit leur distance et leur mouvement. Tous seraient d’accord sur la simultanéité d’événement distants. Ce sont les conditions d’observation, c’est à dire la vitesse limitée de la lumière, qui empêchent qu’il en soit ainsi.
La relativité de la simultanéité peut être exprimée comme suit :
Chaque observateur, selon son référentiel, a une appréciation différente de la chronologie d’évènements distants. Ce qui est simultané pour l’un ne l’est pas pour l’autre.
L’exemple donné par Einstein est le suivant :
Supposons un train très long se déplaçant à vitesse constante relativement à la voie. Deux signaux qui sont simultanés par rapport à la voie sont-ils également simultanés par rapport au train ? La réponse est négative. Les signaux émis à chaque bout d’un quai (x) étant reçus simultanément par un observateur (A) placé au milieu de celui-ci, qu’en sera-t-il pour un observateur (B) placé à bord du train ? Même si les observateurs du quai et du train sont à égale distance de chaque bout du quai au moment de l’émission des signaux, l’observateur du quai les recevra simultanément alors que celui du train les recevra successivement, car il se dirige vers le lieu d’émission du signal E2 et s’éloigne de celui du signal E1.
Il en irait de même pour deux observateurs immobiles entre eux, mais placés différemment. C’est l’observateur le plus proche d’un évènement qui en a connaissance le premier.
Sachant que les évènements observés sont indépendants des observateurs, la différence d’appréciation de la chronologie de leur survenance ne peut être qu’un effet d’observation. Einstein nous en donne d’ailleurs l’explication : cela est dû au mouvement relatif des observateurs et à la vitesse limitée de la lumière. En réalité, dans l’exemple d’Einstein, les observateurs ne tiennent pas compte de leur mouvement ou l’ignorent. Si celui du train se sait en mouvement et connaît sa vitesse relativement à la voie, il peut calculer la correction nécessaire pour connaître la chronologie des réceptions par l’observateur du quai. Tout repose sur le choix du référentiel considéré comme immobile.
Il en irait de même pour deux observateurs immobiles entre eux, mais placés différemment. C’est l’observateur le plus proche d’un évènement qui en a connaissance le premier.
Sachant que les évènements observés sont indépendants des observateurs, la différence d’appréciation de la chronologie de leur survenance ne peut être qu’un effet d’observation. Einstein nous en donne d’ailleurs l’explication : cela est dû au mouvement relatif des observateurs et à la vitesse limitée de la lumière. En réalité, dans l’exemple d’Einstein, les observateurs ne tiennent pas compte de leur mouvement ou l’ignorent. Si celui du train se sait en mouvement et connaît sa vitesse relativement à la voie, il peut calculer la correction nécessaire pour connaître la chronologie des réceptions par l’observateur du quai. Tout repose sur le choix du référentiel considéré comme immobile.
Sur la notion d’évènement
Selon Einstein (in La relativité) : « Des évènements qui sont simultanés par rapport à la voie ferrée ne sont pas simultanés par rapport au train et inversement (relativité de la simultanéité) ». Ce texte introduit la confusion entre l’émission et la réception des signaux lumineux, alors même que Einstein fonde la relativité de la simultanéité sur la non-instantanéité de l’information par la lumière, donc sur la distanciation entre l’émission et la réception d’un signal lumineux. Pour être exacte la formulation aurait dû être la suivante : « Des événements qui sont reçus simultanément sur la voie ne sont pas reçus simultanément à bord du train ».
L’ambiguïté du texte d’Einstein a conduit les commentateurs à y voir l’affirmation d’une divergence de simultanéités des évènements. Pourtant, si l’on tient compte du temps de transmission de l’information, la survenance de l’événement ne peut être que le moment de l’émission et non celui de la réception, qui est un autre événement, d’ailleurs propre à chaque observateur. La relativité de la simultanéité n’est que le constat de la différence de réception d’évènements distants selon les observateurs, en fonction de leur mouvement, c’est à dire un effet d’observation. Si l’on considérait que l’événement est l’émission du signal et qu’il y a autant de chronologies des émissions que d’observateurs, cela impliquerait qu’il n’y ait pas une, mais une infinité de réalités.
Pour confondre l’événement et ce qu’on en voit, il faudrait que la transmission de l’information soit instantanée. Depuis 1676[1], nous savons que la vitesse de la lumière est limitée, ce qui rend impossible la simultanéité de la survenance et de la connaissance d’un événement distant. Newton le savait aussi, mais n’en avait tiré aucune conséquence sur la notion de simultanéité, car il se plaçait toujours dans le cadre d’un référentiel commun étendu à l’univers. En admettant de se placer dans les référentiels propres à chaque observateur, sans tenir compte de la vitesse limitée de la lumière, on aboutit à considérer qu’un événement survient à des instants différents selon les observateurs, alors qu’il s’agit seulement de la connaissance de cet événement par les observateurs du fait de la lumière qui en émane.
Si nous admettons que la vitesse de la lumière est limitée et la même pour tous les observateurs, ce qui est le fondement de la théorie de la relativité restreinte, alors il n’y a plus de discordance des temps présents, puisque celui-ci est inconnaissable à distance. Pour savoir si deux évènements distants ont été simultanés dans le passé, il faut connaître l’écart de temps de la réception par l’observateur, ce qui ne pose pas de problème, mais aussi la distance à laquelle se trouvaient les événements émetteurs au moment de l’émission et la vitesse relative entre l’observateur et les émetteurs. La difficulté est que ces distances et cette vitesse sont difficiles à établir hors d’un référentiel commun. Faute de connaître sa vitesse, l’observateur va se considérer comme immobile.
[1] C’est l’astronome danois Ole Römer (1644-1710) qui effectua la première détermination de la vitesse de la lumière par une méthode astronomique en 1676.
Observation, science et réalité
Rappelons que nous sommes à l’intérieur de l’univers et qu’il nous est impossible de savoir qui se meut réellement, ou plus exactement nous sommes dans l’impossibilité de déterminer la vitesse propre absolue des corps en mouvement (relativité du mouvement). En conséquence, si plusieurs observateurs ont une vision différente du monde qui les entoure, il est impossible d’en privilégier un plutôt qu’un autre. Toutes les observations sont recevables, par défaut.
Au-delà du système solaire, dont le soleil est la référence fixe, il est difficile de trouver un système de référence commun, si bien que chaque observateur est fondé à se considérer comme immobile par rapport à un événement lointain, sans qu’il soit possible d’en privilégier aucun. Des événements qui sont perçus comme simultanés par un observateur ne le sont pas pour d’autres (relativité de la simultanéité).
Nous ne pouvons savoir ce qui se passe présentement dans l’univers, car il faut du temps pour que l’information portée par la lumière nous parvienne. Nous ne pouvons pas non plus reconstituer ce qu’était réellement l’univers à un moment choisi arbitrairement dans le passé, car les observations d’événements anciens diffèrent selon les observateurs en raison de leur place et de leur mouvement. En effet, un corps en mouvement fuit devant les signaux émis derrière lui et abrège le parcours des signaux émis devant vers lesquels il se dirige, si bien que sa perception de la chronologie des émissions en est modifiée.
Relativité de la simultanéité et relativité temporelle
De la relativité de la simultanéité, Einstein conclut que chaque corps de référence a son temps propre, ce qui permet de passer au ralentissement des horloges, exposé par la suite. Ce sont pourtant deux mécanismes différents, aux origines distinctes.
Pour nous convaincre de la relativité de la simultanéité, Einstein nous explique que la vitesse de la lumière étant limitée et invariante, les mêmes signaux, reçus simultanément par un observateur, seront reçus successivement par un autre se mouvant relativement au premier. Du fait de la relativité du mouvement, il est impossible de savoir lequel dit vrai et si les signaux ont réellement été émis simultanément. En pratique, il est inutile de se poser la question, car elle n’a pas de réponse : il y a autant de simultanéités observées que d’observateurs. De quelle simultanéité s’agit-il ? De celle de la réception des signaux par les observateurs bien sûr, laquelle réception ne peut être confondue avec l’émission, car les deux ne peuvent être simultanés du fait de la vitesse limitée de la lumière émise. Emission et réception sont donc deux évènements distincts, éloignés dans l’espace et dans le temps. Or dans son texte, Einstein écrit que « des évènements qui sont simultanés par rapport à la voie ferrée ne sont pas simultanés par rapport au train », sans autre précision, ce qui semble confondre émission et réception en un seul et même évènement.
Einstein conclut que « chaque référentiel a son temps propre, une indication de temps n’a de sens que si l’on indique le corps de référence auquel il se rapporte ». Il s’agit ici des indications concernant la chronologie d’évènements distants et non du rythme de fonctionnement de chaque horloge. Le temps de transmission des signaux dans l’espace n’a aucune incidence sur le rythme de fonctionnement interne des horloges de chacun des observateurs. Le terme temps propre, appliqué à la relativité de la simultanéité est source de confusion, car il est également et plus généralement utilisé pour désigner le rythme de fonctionnement de l’horloge tel que constaté par l’observateur placé à son côté, par opposition au temps mesuré sur cette même horloge depuis autre référentiel. Bien sûr, les deux phénomènes contribuent à la différence de la mesure du temps d’un observateur à un autre, mais dans un cas il s’agit de la propagation du signal lumineux jusqu’à l’observateur, dans l’autre du rythme auquel bat l’horloge qui mesure la durée.
La démonstration d’Einstein relève plutôt du procédé rhétorique que du raisonnement logique. Puisque chaque observateur en mouvement relatif a sa propre estimation de la chronologie, qui relève de la dimension temporelle, alors il est naturel que le rythme des horloges de chacun ait son propre rythme temporel. Non seulement ce n’est pas très convaincant, mais cela a conduit beaucoup de vulgarisateurs à chercher les origines de la dilatation temporelle dans la relativité de la simultanéité, ce qui est probablement la raison de leur attachement à un effet purement observationnel de la relativité restreinte. Le ralentissement temporel et la contraction des longueurs dans les référentiels en mouvement seraient un simple effet de perspective. J’ai personnellement longtemps cherché à faire fonctionner la relativité restreinte selon cette interprétation, mais sans succès. Même si les effets de la relativité de la simultanéité et ceux de la relativité temporelle et des longueurs sont inclus dans la même équation, il s’agit de deux mécanismes distincts.
SCIENCE ET BON SENS 