Simultanéité - Définition
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Introduction
En physique, la simultanéité de deux évènements est le fait qu'ils se produisent au même moment.
Dans la physique d'Isaac Newton, le temps est absolu et les informations peuvent se transmettre à vitesse infinie : la force gravitationnelle, par exemple, est supposée se propager instantanément. Et la notion de simultanéité rejoint l'évidence de l'expérience quotidienne : si deux événements se sont produits à la même heure pour un observateur, il en est de même pour tout autre observateur.
Dans l'univers de la relativité restreinte proposée en 1905 par Albert Einstein, l'existence d'une vitesse limite (la vitesse de la lumière) et identique dans tous les référentiels galiléens unifie l'espace et le temps en une entité unique, appelée espace-temps, et leur fait perdre leur caractère absolu. La simultanéité entre deux événements perd son aspect d'évidence et devient aussi relative à l'observateur et son référentiel : deux événements se produisant au même moment pour un observateur donné pourront se produire à des instants différents pour un autre observateur.
Perception immédiate de la simultanéité
Un « événement » est un fait se produisant à un endroit donné et à un instant donné.
De façon immédiate deux événements sont considérés comme simultanés s'ils sont perçus au même instant. Mais une analyse correcte demande que l'on fasse la distinction entre l'émission d'un signal et sa réception par un observateur. Il s'agit en fait de deux événements et non d'un seul.
En physique newtonienne
Certaines interactions (par exemple : la gravitation) sont supposées se transmettre instantanément, autrement dit à vitesse infinie. Ainsi, dès qu'un événement a lieu, l'ensemble de l'univers est susceptible d'en être immédiatement influencé. Donc, si une personne observe deux événements comme étant simultanés, toute personne les observera aussi comme simultanés. Il en est de même dans le cas de deux événements observés comme non-simultanés.
En théorie de la relativité
En relativité restreinte, toute interaction (et toute information) est transmise au maximum à la vitesse de la lumière qui est la même dans tous les référentiels inertiels, ou encore indépendante de la vitesse de sa source. Voici une situation inspirée d'un exemple donné par Einstein, relatif à un train :
Supposons qu'au moment précis où le milieu O' d'un train passe devant le point O situé sur la voie, les deux observateurs situés en O' (dans le train) et O (sur le quai) voient deux signaux lumineux qui ont été émis depuis O (et O') vers les deux extrémités du train. Les arrivées de ces signaux aux extrémités du train seront-elles simultanées pour les deux observateurs en O' (dans le train) et O (sur le quai) ?
Pour l'observateur dans le train, la lumière est émise depuis un point de l'espace situé au milieu du train, et la vitesse de la lumière étant la même dans toutes les directions de son référentiel (inertiel), les deux signaux arriveront simultanément aux deux extrémités et seront renvoyés simultanément vers lui, au milieu du train.
Pour l'observateur sur le quai, qui voit passer le train, la lumière a été émise depuis un point de l'espace et se diffuse à partir de ce point à la vitesse de la lumière, dans toutes les directions. Cet observateur, comprenant que l'arrière du train va à la rencontre de la lumière cependant que l'avant s'en éloigne, n'est pas surpris que l'arrière du train lui renvoie la lumière avant l'avant du train. Pour cet observateur, les deux signaux n'arrivent pas simultanément aux extrémités du train.
Conclusion : la simultanéité des deux événements, que constituent les arrivées des signaux lumineux aux extrémités du train, est relative à chaque observateur.
- voir aussi : paradoxe du train
