La Théorie de la Relativité
La théorie de la relativité constitue une tentative d’unification des phénomènes physiques et électromagnétiques au sein d’un cadre cohérent de lois fondamentales.
Remarque. Au XIXe siècle, les phénomènes physiques étaient interprétés à travers la mécanique classique de Newton et sa loi de la gravitation, tandis que les phénomènes électromagnétiques étaient décrits par la théorie de l’électromagnétisme de Maxwell.
Qui a élaboré la théorie de la relativité ?
Albert Einstein formula cette théorie au début du XXe siècle. En 1905, il publia la relativité restreinte et, dix ans plus tard, en 1915, la relativité générale.
Quelle est la différence entre relativité restreinte et relativité générale ?
La relativité restreinte s’applique aux systèmes en mouvement rectiligne uniforme, tandis que la relativité générale englobe l’ensemble des mouvements, y compris les mouvements accélérés et non uniformes.
Comprendre la relativité
La manière la plus intuitive d’aborder ce concept est d’en donner un exemple. Selon la mécanique newtonienne, si l’on lance une balle immobile en appliquant une force F, elle retombe à une distance d1 du lanceur (fig. A).
Si la même balle est lancée depuis le même point et avec la même force, mais cette fois à bord d’une voiture en mouvement, elle parcourra une distance plus grande - jusqu’à d2. Cela s’explique par le fait que la vitesse V du véhicule s’ajoute à la vitesse initiale du lancer (fig. B).
Ce principe vaut pour les corps matériels, mais pas pour la lumière
Imaginons maintenant que l’on allume les phares d’une voiture à l’arrêt (fig. C), puis ceux d’une voiture en mouvement (fig. D).
On pourrait croire, en toute logique, que la lumière émise par la voiture en mouvement devrait se propager plus vite… Or il n’en est rien. Dans les deux cas, la lumière se déplace toujours à la même vitesse.
Remarque. Dans la figure précédente, après un intervalle de temps t+1, le faisceau lumineux a parcouru la même distance d1, que la voiture soit immobile ou en mouvement.
Pourquoi ?
La raison en est claire : la vitesse de la lumière est une constante (299 000 km/s), indépendante du mouvement de la source émettrice. Ce constat repose sur des résultats expérimentaux solides.
Un dilemme théorique
Les équations de Maxwell imposent que la vitesse de la lumière demeure invariable. La mécanique newtonienne, en revanche, est incapable d’accommoder une telle constance.
Cette contradiction poussa les physiciens de la fin du XIXe siècle à rechercher une théorie unificatrice.
Quelle solution Einstein proposa-t-il ?
Pour résoudre l’incompatibilité entre les lois de Maxwell et la mécanique newtonienne, Einstein proposa de refonder le cadre conceptuel et d’introduire le principe de relativité espace-temps.
Que signifie espace-temps relatif ?
Jusqu’au XIXe siècle, espace et temps étaient envisagés comme des grandeurs absolues : immuables et indépendantes l’une de l’autre.
Une illustration concrète
Imaginons deux horloges identiques. L’une demeure à la maison (A), l’autre voyage à grande vitesse (B).
Après un mois, on s’attendrait à ce qu’elles affichent la même heure. Pourtant, l’horloge en mouvement retarde par rapport à celle restée immobile.
Dès lors, le temps n’est pas absolu : il est affecté par la vitesse.
À partir de ce constat, Einstein développa l’idée de relativité du temps.
Que signifie temps relatif ?
L’écoulement du temps n’est pas universel : il dépend de la position, de la vitesse et du référentiel considéré.
À des vitesses proches de celle de la lumière, le temps s’écoule plus lentement (C) que sur Terre (A).
Exemple. Dans un vaisseau spatial voyageant à des vitesses proches de celle de la lumière, une seconde à bord dure bien plus qu’une seconde sur Terre. Ainsi, tandis que le temps terrestre s’écoule normalement, celui du vaisseau est dilaté. Ce phénomène est illustré de manière célèbre par le paradoxe des jumeaux.
Le graphique suivant montre la relation entre vitesse et dilatation temporelle.
À mesure que la vitesse (v) se rapproche de celle de la lumière (c), l’unité de temps se dilate : une seconde (t’) devient plus longue qu’une seconde terrestre (t).
Non seulement le temps : l’espace aussi est relatif
Einstein montra que l’espace et le temps sont des grandeurs relatives et interdépendantes (relativité espace-temps).
Ensemble, ils forment une seule entité physique appelée espace-temps, elle-même relative.
Si l’espace se contracte, le temps ralentit ; s’il s’étend, le temps s’accélère.
Exemple. En passant de l’espace-temps A à l’espace-temps B, l’espace se contracte et la durée du temps se dilate. Autrement dit, une seconde y dure relativement plus longtemps. Dans l’espace-temps B, le temps s’écoule plus lentement que dans l’espace-temps A.
Quand l’espace se contracte-t-il ?
L’espace se contracte dans deux situations :
- lorsque la vitesse augmente
- lorsque la gravité s’intensifie
Un objet observé à grande vitesse paraît raccourci. La vitesse contracte l’espace.
Pour l’observateur extérieur, le temps s’écoule normalement ; pour celui qui voyage à bord, il ralentit.
Remarque. Le temps s’écoule plus lentement dans le vaisseau spatial que sur Terre. Si nous pouvions observer l’astronaute de l’extérieur, ses gestes nous apparaîtraient au ralenti. Pourtant, pour lui, le temps s’écoule normalement. Il ne perçoit aucune différence. Je l’ai déjà souligné, mais il faut y insister : c’est un aspect fondamental.
Masse relativiste
Selon Einstein, toutes les grandeurs physiques fondamentales sont relatives : longueur, temps et masse.
Ainsi, non seulement le temps et l’espace (la longueur), mais également la masse sont relatifs. Tout corps possède une masse au repos et une masse relativiste dépendant de sa vitesse.
Les deux postulats de la relativité restreinte
À la lumière de ces notions, il devient plus facile de comprendre la portée des deux postulats de la relativité restreinte énoncés par Einstein :
- Premier postulat. Les lois de la physique sont identiques dans tous les référentiels inertiels.
- Deuxième postulat. La vitesse de la lumière est constante et indépendante du mouvement de sa source.
La relativité générale
En 1915, Einstein étendit la relativité aux systèmes non inertiels, c’est-à-dire soumis à des mouvements accélérés (à vitesse variable).
Ce nouveau cadre prit le nom de relativité générale.
Remarque. La relativité générale (1915) est distincte de la relativité restreinte (1905). Ce sont deux théories autonomes, mais étroitement liées.
La relativité générale est avant tout une théorie de la gravitation. Einstein y fit appel au concept d’espace-temps pour rendre compte de l’origine de la force gravitationnelle.
En conclusion
En résumé, c’est là l’essence de la théorie de la relativité d’Einstein.
J’espère que cette présentation aura été claire et accessible, et qu’elle servira de point d’appui pour une première compréhension avant d’aller plus loin dans les détails.
