- 1. Historique
- 2. Les postulats de la relativité
- 3. Les transformations de Lorentz
- 4. Dilatation du temps et contraction des longueurs
- 5. Simultanéité
- 6. Espace-temps et quadrivecteurs
- 7. Quantité de mouvement et énergie
- 8. L'équivalence masse-énergie
- 9. Champs électriques et magnétiques
- 10. Bibliographie
RELATIVITÉ Relativité restreinte
Théorie de la relativité
Encyclopædia Universalis France
La théorie de la relativité comporte deux volets distincts. La relativité restreinte, conçue en 1905 par Albert Einstein, s'est imposée comme un nouveau cadre pour décrire de façon cohérente les phénomènes physiques mettant en jeu des vitesses proches de celle de la lumière. Ses nombreuses conséquences ont été maintes fois confirmées. La relativité générale est quant à elle une théorie de la gravitation remplaçant celle exprimée par Newton.
En imposant l'universalité de la vitesse de la lumière, la relativité restreinte amène à une description profondément modifiée de toute la physique dont la toile de fond devient un espace-temps quadridimensionnel. Des concepts aussi importants que la simultanéité de deux événements ou la longueur d'un objet deviennent relatifs aux systèmes de référence dans lesquels on les observe. Même si les paradoxes qui en découlent continuent à enrichir la littérature fantastique, la compréhension actuelle de la relativité restreinte ne laisse guère de place à une théorie concurrente.
Historique
La remarquable synthèse de l'électromagnétisme opérée à la fin du xixe siècle, en particulier par Michael Faraday et James Clerk Maxwell, semblait imposer l'existence d'un « éther luminifère », hypothétique substance dans laquelle se propageraient les ondes lumineuses. Conçue pour détecter le mouvement de la Terre par rapport à cet éther, l'expérience (1887) des deux physiciens américains Albert Abraham Michelson et Edward Williams Morley avait indiqué cependant que la simple loi d'addition (vectorielle) des vitesses issue de la cinématique classique était mise en défaut dans le cas où l'on considère la vitesse de la lumière et celle de la Terre : la vitesse de propagation d'un signal lumineux apparaissait comme indépendante de la vitesse du laboratoire et donc de la vitesse relative de l'instrument de mesure.
Henri Poincaré
AKG-images
Pour rendre compte de ce fait, une solution ingénieuse avait été proposée dès les années 1889-1892 par l'Irlandais George Francis Fitzgerald et le Néerlandais Hendrik Antoon Lorentz : tout corps se mouvant dans l'éther serait raccourci par un facteur qui augmenterait avec sa vitesse ; si la vitesse devenait égale à celle de la lumière, il serait complètement aplati. Le mathématicien français Henri Poincaré de son côté proposait qu'au contraire l'éther en mouvement relatif se modifiait et ne transmettait pas les perturbations auxquelles il était soumis – c'est-à-dire les ondes lumineuses – de la même façon dans toutes les directions. En 1904, il évoqua même la nécessité d'une nouvelle mécanique dans laquelle aucune vitesse ne serait supérieure à celle de la lumière.
Albert Einstein
Encyclopedia Britannica
En 1905, Poincaré donnait sa forme définitive aux formules de raccourcissement des longueurs et révélait la structure de groupe mathématique des changements de repère qu'il baptisait transformations de Lorentz. Cette même année, Albert Einstein proposa une théorie radicalement nouvelle, fondée sur deux postulats – les postulats de la relativité – qui allait préciser ces formules de Lorentz. La relativité restreinte bousculait des notions aussi fondamentales que la simultanéité, en unifiant l'espace et le temps en même temps qu'elle éliminait la notion d'éther. Cette théorie fut assez mal reçue par la communauté scientifique et ce n'est pas un hasard si le prix Nobel décerné à Einstein en 1922 pour l'année 1921 ne couronna pas cette contribution pourtant majeure à la physique moderne.
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
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Albert Einstein
Encyclopedia Britannica
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