Cet article de physique fait partie de la série relativité |
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Cet article traite de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) 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,...). 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.
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...) à l'aide d'une expérience mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) 'interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...)' 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...) dans une cabine (Sur un bateau, une cabine désigne une pièce d'habitation pour une ou plusieurs personnes. Une...) de bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer,...) 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 :
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...) absolu, défendue par Isaac Newton (Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G, ou 25 décembre...). 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.
La théorie de la relativité est communément perçue comme un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de deux théories formulées par Albert Einstein : la relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein...) et la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...).
C'est en s'appuyant sur le principe de relativité (Le principe de relativité affirme que les lois physiques s'expriment de manière identique...) 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...) se sont avérées suivre ce principe de relativité, non pas en additionnant les vitesses, mais en supposant une vitesse limite invariante.
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...) 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...), 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 qui sont régies par les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois...). 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 dans le vide, notée c (pour...) 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...) se déduit simplement de la forme des lois physiques).
Ceci l'amena (Orange est aujourd’hui une marque commerciale propriété de l'entreprise internationale...) 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...), l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) et la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse...) 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,...) 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...) 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 le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...); l'élément central de sa formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...) mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) sont les transformations de Lorentz.
La relativité générale fut publiée par Einstein en 1915. Cette théorie utilise les mathématiques de la géométrie différentielle (En mathématique, la géométrie différentielle est l'application des outils du...) 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...) influence la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) 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...) 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.
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,...) 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...) ne disposent pas encore à ce stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) 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...) 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 (En mathématiques, un espace euclidien est un objet algébrique permettant de...), 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...) 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...) 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.