Depuis plus d’un siècle, une étrange prédiction de la relativité restreinte d’Einstein – l’effet Terrell-Penrose – est restée purement théorique. Cet effet suggère que les objets approchant la vitesse de la lumière n’apparaîtraient pas compressés (selon la contraction de Lorentz), mais tournés. Aujourd’hui, des chercheurs ont démontré pour la première fois ce phénomène en laboratoire, confirmant une bizarrerie de longue date de la physique relativiste.
De la science-fiction à la réalité scientifique
L’expérience est née d’une réflexion suscitée par l’histoire de H.G. Wells de 1901, « Le nouvel accélérateur », qui imaginait un médicament ralentissant le temps. Les chercheurs se demandaient si un tel ralentissement pouvait révéler des effets relativistes, notamment l’effet Terrell-Penrose, qui n’existait que dans les simulations. Cette percée est le fruit d’une collaboration avec le projet SEEC, axé sur la visualisation du mouvement de la lumière et l’utilisation de la photographie ultrarapide pour « ralentir » efficacement la vitesse apparente de la lumière.
Pourquoi l’effet Terrell-Penrose est important
La confusion vient de deux concepts clés : la contraction de Lorentz (les objets rétrécissent à grande vitesse) et l’effet Terrell-Penrose (les objets semblent tournés à la place). Les premiers travaux théoriques de physiciens comme Anton Lampa et Hendrik Lorentz débattaient de la question de savoir si ces effets seraient même visibles. Plus tard, Roger Penrose et James Terrell ont calculé indépendamment que la contraction ne serait pas observée directement ; au lieu de cela, de légères différences de temps de trajet créeraient l’illusion de rotation. Cette prédiction apparemment contre-intuitive n’a pas été vérifiée jusqu’à présent.
L’expérience : imiter les vitesses relativistes
L’équipe a utilisé un laser pulsé, émettant de la lumière par rafales de picosecondes, et une caméra ultrarapide capable de capturer des images en seulement 300 picosecondes. En prenant rapidement des « tranches » d’objets – une sphère et un cube – au fur et à mesure de leur déplacement, ils ont imité les distorsions attendues à une vitesse proche de la lumière. La clé était le timing : chaque image capturait la lumière d’un moment légèrement différent, créant un effet time-lapse.
Pour garantir que l’effet soit visible, les chercheurs ont intentionnellement compressé les objets dans la direction du mouvement. Sans cette étape, l’allongement aurait annulé la rotation. La sphère s’est déplacée à 99,9 % de la vitesse de la lumière, tandis que le cube s’est déplacé à 80 % de la vitesse de la lumière. Les images résultantes ont confirmé l’effet Terrell-Penrose : les deux objets semblaient tournés, ce qui correspond aux prédictions théoriques. Le cube présentait également une courbure hyperbolique sur ses bords, un détail prédit en 1970 par Ramesh Bhandari.
Implications et recherches futures
Cette expérience valide non seulement une prédiction vieille d’un siècle, mais ouvre également de nouvelles voies pour étudier la relativité. Les chercheurs suggèrent que des techniques similaires pourraient tester la dilatation du temps, l’aberration stellaire et même les expériences de pensée d’Einstein sur la simultanéité. En réduisant artificiellement la vitesse de la lumière grâce à l’imagerie rapide, ils ont effectivement introduit la physique relativiste en laboratoire, transformant la science-fiction en réalité observable.
Ce succès met en évidence la puissance de la combinaison d’une technologie de pointe et d’une curiosité théorique. Cette expérience prouve que la relativité continue de réserver des surprises, même après plus d’un siècle d’étude.
