Théorie de la relativité - Définition

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Albert Einstein
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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 fait un important champ d'étude, tant théorique qu'expérimental.

Galileo Galilei

Galilée avait constaté qu’il était impossible de mettre en évidence le mouvement d'un navire à l'aide d'une expérience mécanique 'interne' lorsque le navire est en mouvement uniforme, c’est-à-dire à vitesse constante : on peut, par exemple, jouer au ping-pong ou se verser un verre dans une cabine de bateau 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 absolu, défendue par Isaac Newton. 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

La théorie de la relativité est communément perçue comme un ensemble de deux théories formulées par Albert Einstein : la relativité restreinte et la relativité générale.

C'est en s'appuyant sur le principe de relativité de Galilée et sur le résultat expérimental que les lois de l'électromagnétisme 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 que la transformation qui permet de changer de référentiel, la transformation de Galilée, n'est pas valable pour la propagation des ondes électromagnétiques qui sont régies par les équations de Maxwell. Pour arriver à concilier la mécanique classique et l'électromagnétisme, Einstein fut amené à postuler que la vitesse de la lumière 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 se déduit simplement de la forme des lois physiques).

Ceci l'amena à redéfinir des concepts fondamentaux tels que le temps, la distance, la masse, l'énergie et la quantité de mouvement 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 de mouvement est maintenant associée à la lumière et sa vitesse dans le vide devient la vitesse limite pour tout objet 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; l'élément central de sa formulation mathématique 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 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 influence la trajectoire des autres objets, y compris la lumière. Nous interprétons cet effet comme étant la force de la gravitation. Cette théorie peut être utilisée pour construire des modèles de l'évolution de l'Univers et est donc un des outils de base de la cosmologie 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 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 ne disposent pas encore à ce stade des moyens d'en saisir toutes les implications. En particulier, le caractère à première vue 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, tandis que la relativité galiléenne complique les choses en séparant le temps d'avec l'espace. Or, une chose simple n'a pas besoin 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 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.

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