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Théorie de la relativité
Albert Einstein
Cet article de physique fait
partie de la série relativité
Bases
histoire - théorie
Lorentz - Einstein - Mach
transformation de Lorentz
Feynman - Poincaré - Michelson
espace-temps-c - E=mc² - t
EQR
exp:Michelson et Morley
exp:pensée?-éther
jumeaux-train
relativité restreinte-générale
théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont...)
controverse historique
Techniques
cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique suivent une trajectoire en forme de spirale et sont accélérées par un champ...)
accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses élevées.)
Méta
article
Liens physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...)
Formulaire

Cet article traite de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent...) de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du XVIIe siècle, célèbre pour avoir jeté les fondements des sciences...). Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'étude, tant théorique qu'expérimental.

Galileo Galilei (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du XVIIe siècle, célèbre pour avoir...)

Galilée avait constaté qu’il était impossible de mettre en évidence le mouvement d'un navire (Un navire est un bateau destiné à la navigation maritime, c'est-à-dire prévu pour naviguer au-delà de la limite où...) à l'aide d'une expérience mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) 'interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet...)' lorsque le navire est en mouvement uniforme, c’est-à-dire à vitesse (On distingue :) constante : on peut, par exemple, jouer au ping-pong ou se verser un verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de fondants, le...) dans une cabine (Sur un bateau, une cabine désigne une pièce d'habitation pour une ou plusieurs personnes. Une cabine peut prendre plusieurs aspects : sur un grand navire, elle prend l'apparence d'un...) de bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer, dirigé ou non par ses occupants. Il répond aux besoins du transport maritime ou fluvial, et permet diverses activités telles que le...) sans que le mouvement du bateau ne se perçoive.

Formellement la raison en est simple : lorsque l'on passe d'un référentiel R' (le bateau) à un autre (celui de la mer) R, les vitesses s'ajoutent et donc les accélérations sont les mêmes : ceci constitue la relativité selon Galilée, énoncée en principe :

  • on ne peut pas mettre en évidence un mouvement de translation uniforme par une expérience mécanique interne.

Gottfried Wilhelm von Leibniz

Leibniz a toujours lutté contre la notion d'espace et de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) absolu, défendue par Isaac Newton (Sir Isaac Newton était un philosophe, mathématicien, physicien et astronome anglais né le 4 janvier 1643 du calendrier grégorien[1] au manoir de Woolsthorpe près de Grantham et mort le 31...). Dans une lettre à Samuel Clarke, adjoint de Newton, Leibniz tente de démontrer que la notion d'espace absolu est incompatible avec son principe de la raison suffisante.

Extrait de la Troisième lettre de Leibniz à Clarke du 25 février 1716

Pour réfuter l'idée de ceux qui prennent l'Espace pour une substance, ou du moins pour quelque être absolu, j'ai plusieurs démonstrations, mais je ne veux me servir à présent que de celle dont on me fournit ici l'occasion.

Je dis donc que si l'Espace était un être absolu, il arriverait quelque chose dont il serait impossible qu'il y eut une raison suffisante, ce qui est contre notre Axiome. Voici comment je le prouve.

L'Espace est quelque chose d'absolument uniforme, et en l'absence des choses y placées, un point de l'Espace ne diffère absolument en rien d'un autre point de l'Espace.

Or, il suit de cela, à supposer que l'espace soit quelque chose en lui-même indépendamment de l'ordre des corps entre eux, qu'il est impossible qu'il existe une raison pour laquelle Dieu, gardant les mêmes situations des corps entre eux, a placé ainsi les corps dans l'espace et non autrement; et pour laquelle tout n'a pas été mis à rebours (par exemple) par échange de la droite et de la gauche.

Mais si l'Espace n'est autre chose que cet ordre ou rapport, et n'est rien du tout sans les corps, si ce n'est la possibilité d'en mettre; ces deux états, l'un tel qu'il est, l'autre supposé à rebours, ne diffèreraient aucunement entre eux. Leur différence ne se trouve que dans notre supposition chimérique : la réalité de l'espace en lui-même.

Mais dans la réalité, l'un sera en tout point la même chose que l'autre, puisqu'ils sont absolument indiscernables. Et par conséquent il n'y a pas lieu de demander la raison de la préférence de l'un à l'autre.

Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement allemand, puis apatride (1896), suisse (1901), et enfin...)

La théorie de la relativité est communément perçue comme un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de deux théories formulées par Albert Einstein : la relativité restreinte (On nomme relativité restreinte une première version de la théorie de la relativité, émise en 1905 par Albert Einstein, qui ne considérait pas la question des accélérations d'un référentiel, ni les interactions d'origine...) et la relativité générale (La relativité générale est une théorie relativiste de la gravitation. Dans ce cadre, la présence d'une masse déforme localement l’espace-temps. Le physicien Thibault Damour utilise à ce...).

C'est en s'appuyant sur le principe de relativité (Le principe de relativité affirme que les lois physiques sont les mêmes pour tous les observateurs. Ou, ce qui revient au même, que les lois physiques doivent s'exprimer de la même manière dans tous les...) de Galilée et sur le résultat expérimental que les lois de l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ électromagnétique : le champ électromagnétique est produit par...) se sont avérées suivre ce principe de relativité, non pas en additionnant les vitesses, mais en supposant une vitesse limite invariante.

Relativité restreinte

La relativité restreinte, formulée en 1905, est née de l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) que la transformation qui permet de changer de référentiel, la transformation de Galilée (Les transformations de Galilée désigne le groupe de transformations qui permet de lier deux systèmes de coordonnées de deux référentiels galiléens, c'est-à-dire en mouvement relatif...), n'est pas valable pour la propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes électromagnétiques dans les milieux. On distingue généralement deux catégories de propagation :) électromagnétiques qui sont régies par les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois fondamentales de la physique. Elles constituent les postulats de base de l'électromagnétisme, avec l'expression de la force...). Pour arriver à concilier la mécanique classique et l'électromagnétisme, Einstein fut amené à postuler que la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière (299 792 458 m/s) a été mesurée dès le XVIIe siècle par l'astronome danois Ole Christensen Rømer qui avait observé en 1676 un retard de quinze...) mesurée par des observateurs se situant dans des référentiels galiléens doit toujours être la même (à noter que par la suite, il a été montré que ce postulat initial était inutile, car la vitesse constante de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) se déduit simplement de la forme des lois physiques).

Ceci l'amena (Orange est aujourd’hui une marque commerciale propriété de l'entreprise internationale française de télécommunications France Télécom; elle désigne en particulier ses activités hors du...) à redéfinir des concepts fondamentaux tels que le temps, la distance, la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave). Ces...), l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait partie, avec l'énergie, des valeurs qui se conservent lors des interactions...) avec toutes sortes de conséquences.

Les objets en mouvement paraissent plus lourds et compressés dans la direction de leur mouvement tandis que le temps s'écoule plus lentement pour des horloges en mouvement.

Une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de mouvement est maintenant associée à la lumière et sa vitesse dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) devient la vitesse limite pour tout objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et...) ainsi que l'information. La masse et l'énergie deviennent équivalentes. Deux événements qui paraissent simultanés pour un observateur ne le sont plus pour un autre observateur en mouvement par rapport au premier. La relativité restreinte ne tient pas compte des effets de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.); l'élément central de sa formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en mélangeant différentes...) mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les transformations. Les mathématiques...) sont les transformations de Lorentz.

Relativité générale

La relativité générale fut publiée par Einstein en 1915. Cette théorie utilise les mathématiques de la géométrie différentielle (En mathématiques, la géométrie différentielle est l'application des outils du calcul différentiel à l'étude de la géométrie. Les objets d'étude de base sont les variétés différentielles, ensembles ayant une régularité suffisante pour envisager...) et des tenseurs pour décrire la gravitation. Au contraire de la relativité restreinte, les lois de la relativité générale sont les mêmes pour tous les observateurs, y compris si ceux-ci se déplacent de façon non uniforme l'un par rapport à l'autre.

La relativité générale est une théorie géométrique qui postule que la présence de masse et d'énergie " courbe " l'espace et que cette courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) influence la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) des autres objets, y compris la lumière. Nous interprétons cet effet comme étant la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) de la gravitation. Cette théorie peut être utilisée pour construire des modèles de l'évolution de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) et est donc un des outils de base de la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) physique.

Justifications face aux contestations

De nombreuses personnes s'imaginent pouvoir réfuter la théorie de la relativité restreinte, ou du moins en éliminer la nécessité, à coups d'ébauches de nouvelles théories qui expliqueraient autrement les résultats d'expériences habituellement invoquées comme origine historique de la découverte de la relativité. C'est oublier qu'un abîme infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a pas de limite en nombre ou en taille.) sépare la quantité incalculable de raisons et vérifications diverses existant actuellement à l'appui des théories de la relativité, et ce qu'un début de cours de relativité peut en présenter à destination des étudiants qui par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions...) ne disposent pas encore à ce stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) des moyens d'en saisir toutes les implications. En particulier, le caractère à première vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) paradoxal de la relativité restreinte n'est nullement une raison valable pour la trouver insatisfaisante, car cette impression d'insatisfaction ne reflète que l'inadaptation de notre imagination quotidienne qui n'a pas encore été exercée à traiter les phénomènes relativistes.

De plus, quand on comprend bien la relativité restreinte, on peut réaliser qu'elle est au fond encore plus simple conceptuellement que la relativité galiléenne, puisqu'elle unifie espace et temps au profit d'un seul concept d'espace géométrique pseudo-euclidien similaire à un espace euclidien (Un espace euclidien, dans la conception actuelle, est un espace vectoriel ou affine réel de dimension finie muni d'un produit scalaire. Dans un tel espace, on peut traiter...), tandis que la relativité galiléenne complique les choses en séparant le temps d'avec l'espace. Or, une chose simple n'a pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les...) d'être expliquée au moyen de choses compliquées.

Précisément, chercher un temps absolu sous-jacent qui gouvernerait tout, et pourquoi les observations semblent ne pas en dépendre, comme ces auteurs de théories alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.) à la relativité s'évertuent à développer, serait au fond parfaitement similaire, et donc tout autant artificiel et vain, que de chercher un centre absolu de l'univers qui gouvernerait tout et les explications de pourquoi malgré cela les lois de la physique ne sembleraient pas en dépendre. Le rasoir d'Ockham nous invite à éviter ce genre de questions inutiles.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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