Relativité Restreinte : Une longue histoire


Avant de commencer à faire des articles sur la relativité, je crois qu'il est important de savoir pourquoi elle est là. Cet article est un article qui résume en quelques mots les points essentiels qui ont permis le développement de la théorie de la relativité. Je tire pratiquement cet article d'un article de Wikipedia qui est extrêmement complet et que vous pouvez retrouver ici si vous êtes très curieux 😉

Photo prise le 28 Décembre 1934 lors d'une conférence de l'association américaine de l'avancée scientifique à l'institut de technologie de Pittsburgh. Einstein redémontre sa célèbre équation de l'équivalence masse-énergie E=mc²

Photo prise le 28 Décembre 1934 lors d'une conférence de l'association américaine de l'avancée scientifique à l'institut de technologie de Pittsburgh. Einstein redémontre sa célèbre équation de l'équivalence masse-énergie E=mc²

L'histoire de la relativité commence très tôt XVIIème siècle ...

« GodfreyKneller-IsaacNewton-1689 » par Sir Godfrey Kneller — http://www.newton.cam.ac.uk/art/portrait.html. Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GodfreyKneller-IsaacNewton-1689.jpg#/media/File:GodfreyKneller-IsaacNewton-1689.jpg

[« GodfreyKneller-IsaacNewton-1689 » par Sir Godfrey Kneller — http://www.newton.cam.ac.uk/art/portrait.html. Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GodfreyKneller-IsaacNewton-1689.jpg#/media/File:GodfreyKneller-IsaacNewton-1689.jpg] - Histoire de la relativité restreinte

En 1687, Isaac Newton publie son célèbre ouvrage Principia ou il décrit l'espace et le temps comme des objets absolus. Cela signifie qu'il existe réellement une vitesse nulle dans l'espace et que toute vitesse peut se mesurer par rapport à cet espace. Cependant, il n'est pas possible de définir la vitesse de façon absolue par rapport à l'espace, Newton définit alors le principe de relativité qui permet de déterminer la vitesse d'un objet suivant le référentiel que l'on choisit. De l'autre côté, il existe un temps absolu qui est le même pour tout le monde quelque soit sa vitesse de déplacement et son lieu dans l'univers. A cette époque, aucune de ces deux affirmations n'était vérifiable, elle fut donc acceptée de tout le monde.

Jusque là tout va bien, les problèmes commencent à arriver lorsqu'on parle de la lumière et plus précisément d'électrodynamique (mouvements de particules chargées électriquement). A l'époque sont connues les ondes mécaniques et tout le monde sait qu'elle sont une perturbation d'un milieu matériel qui se propage rapidement et que la vitesse de propagation de cette onde dépend de la nature du milieu. Au XVIIème siècle, Christian Huygens un physicien néerlandais publie sa théorie de la lumière et lui confère une nature ondulatoire. Il semble alors évident que la lumière doit se propager dans un milieu et donc que le vide est remplis de ce milieu sinon nous ne recevrions pas la lumière du Soleil.

« James Clerk Maxwell » par George J. Stodart — Frontpiece in James Maxwell, The Scientific Papers of James Clerk Maxwell. Ed: W. D. Niven. New York: Dover, 1890.. Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:James_Clerk_Maxwell.png#/media/File:James_Clerk_Maxwell.png

[« James Clerk Maxwell » par George J. Stodart — Frontpiece in James Maxwell, The Scientific Papers of James Clerk Maxwell. Ed: W. D. Niven. New York: Dover, 1890.. Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:James_Clerk_Maxwell.png#/media/File:James_Clerk_Maxwell.png] - Histoire de la relativité restreinte

Au XIXème siècle, la communauté scientifique est convaincue, notamment grâce aux travaux de Thomas Young en 1803 et d'Augustin Fresnel que la lumière est une onde qui se propage dans un milieu appelé ether luminifère. Cependant, les physiciens se confrontent à un premier problème. Ils doivent réunir électrodynamique et ondes lumineuses, car chacun d'eux nécessite un éther particulier. Le problème sera rapidement résolu grâce à James Clerck Maxwell en 1864 qui met au point ses quatre équations fondamentales de l'électromagnétisme. La lumière est alors considérée comme une onde électromagnétique, un seul éther suffit pour tout expliquer.

Les physiciens se mettent alors à chercher la présence de l'ether et c'est là que de sérieux problèmes arrivent. De nombreuses théories de l'ether naissent et deux points de vue se distinguent : une partie des physiciens considère que l'éther est au repos et n'est pas ou peu entraîné par la matière, l'autre partie considère qu'il est en mouvement et qu'il est totalement entraîné par la matière. Ces deux points de vue changent radicalement la vision de la propagation de la lumière, dans le premier cas elle est isotrope, dans le second, il existe des directions privilégiées ou la vitesse sera plus importante. Des expériences comme celle d'Albert Abraham Michelson en 1881 qui cherche à mesurer le mouvement relatif de l'éther par rapport à la Terre sont mises au point mais toutes échouent.

« Hendrik Antoon Lorentz » par The website of the Royal Library shows a picture from the same photosession that is attributed to Museum Boerhaave. The website of the Museum states "vrij beschikbaar voor publicatie" (freely available for publication). — http://th.physik.uni-frankfurt.de/~jr/physpictheo.html (moved from de:Bild:Hendrik Antoon Lorentz.jpg). Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hendrik_Antoon_Lorentz.jpg#/media/File:Hendrik_Antoon_Lorentz.jpg

[« Hendrik Antoon Lorentz » par The website of the Royal Library shows a picture from the same photosession that is attributed to Museum Boerhaave. The website of the Museum states "vrij beschikbaar voor publicatie" (freely available for publication). — http://th.physik.uni-frankfurt.de/~jr/physpictheo.html (moved from de:Bild:Hendrik Antoon Lorentz.jpg). Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hendrik_Antoon_Lorentz.jpg#/media/File:Hendrik_Antoon_Lorentz.jpg] - Histoire de la relativité restreinte

D'autres théories naissent comme celle de Voigt en 1887 ou il met au point une équation de transformation des vitesses différente de celle de Newton et qui laisse inchangée l'équation d'onde, c'est à dire que quelque soit le référentiel dans lequel on étudie l'onde, elle est définie par la même équation. En 1895, Lorentz élabore une théorie plus précise de l'éther et des particules électromagnétiques ou il met au point la célèbre transformation de Lorentz (des longueurs et du temps). Cependant, sa théorie contredit le principe d'action-réaction car éther peut agir sur la matière alors que la matière ne peut pas agir sur l'éther. Entre 1897 et 1900, Joseph Larmor revisite la théorie de Lorentz et voit dans ses transformations une contraction des longueurs et une dilatation du temps qui dépendent de la vitesse relative d'un objet par rapport à un observateur fixe. Cela signifie qu'un objet qui se déplace rapidement par rapport à nous observateur semblera plus court la la direction de déplacement de cet objet et le temps semblera plus long : on le verra passer à une certaine vitesse alors que de son point de vue, la vitesse est plus élevée que celle que l'on mesure.

En 1881 en étudiant des particules chargées électriquement, Thomson observe que les champs électrostatiques se comportent comme ci il apportaient aux corps chargés une certaine masse électromagnétique dont on peut déduire une énergie et que cette énergie augmente avec la vitesse de l'objet. En utilisant la théorie de Lorentz et en considérant que toutes les forces de la nature sont explicables par l'électromagnétisme, Poincaré déduit qu'à tout objet de l'univers, ont peut associer une énergie de masse électromagnétique donnée par : E = mc². Seulement, il se confronte à un paradoxe du rayonnement qui ne sera résolu que plus tard par Albert Einstein.

Une expérience réalisée avec des horloges synchronisées montre que lorsque la vitesse relative d'une horloge par rapport à l'autre est nulle, elles restent synchronisées. En revanche, si la vitesse relative n'est pas nulle, la synchronisation est perdue, on observe un décalage qui dépend de la vitesse relative. Cela pose la question de la simultanéité temporelle et spatiale et oblige Lorentz à revoir sa théorie. Dans le même temps, certains physiciens comment à se poser la question de savoir si l'espace et le temps sont réellement absolus.

« Einstein 1921 portrait2 » par Ferdinand Schmutzer — http://www.bhm.ch/de/news_04a.cfm?bid=4&jahr=2006. Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Einstein_1921_portrait2.jpg#/media/File:Einstein_1921_portrait2.jpg

[« Einstein 1921 portrait2 » par Ferdinand Schmutzer — http://www.bhm.ch/de/news_04a.cfm?bid=4&jahr=2006. Sous licence Domaine public via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Einstein_1921_portrait2.jpg#/media/File:Einstein_1921_portrait2.jpg] Relativité restreinte

En 1905, Albert Einstein met au point sa théorie de la relativité restreinte où il laisse tomber le concept d'éther. Sa théorie, au départ nommée Sur l'électrodynamique des corps en mouvement est totalement nouvelle au vu des théories de la relativité de l'époque. D'un côté, il arrive à retrouver la plupart des formules de Lorentz mais en plus, sa théorie ne prend absolument pas en compte l'éther. Einstein se base en réalité sur la notion de relativité de l'espace et du temps mais surtout sur le fait que la vitesse de la lumière dans le vide est isotrope, c'est à dire qu'elle est la même dans toutes les directions, et homogène, elle est la même partout dans l'univers.

La théorie d'Einstein offre une explication à toutes les expériences qui ont échoué jusqu'à présent, il faut alors corriger voire supprimer certaines théories de l'électrodynamique des corps en mouvement. L'abandon de l'éther sera pour certains scientifiques difficile à supporter mais le temps fera son travail.

Deux ans plus tard, Hermann Minkowski viendra "formaliser" cette théorie en utilisant les récentes avancées mathématiques. On ne parle alors plus d'espace et de temps séparément mais plutôt d'espace-temps. L'espace-temps est un objet mathématique unique avec lequel n'importe quel calcul relativiste peut être effectué. Cet objet met en plus en évidence la dépendance entre le temps et les coordonnées spatiales. Par là, Minkowski introduit que ce l'on appelle la métrique spatio-temporelle de notre univers. Sa syntaxe mathématique sera d'ailleurs très largement utilisée plus tard lors de l'avènement de la relativité générale.

Il aura fallu un peu plus d'un siècle pour mettre au point une théorie solide et qui décrit rigoureusement les phénomènes de l'électrodynamique des corps mais plus encore. La théorie de la relativité restreinte offre un nouveau regard sur la notion d'espace et de temps. Il faudra un bon bout de temps au commun du mortel pour oublier que l'espace est absolu et que le temps s'écoule à la même vitesse n'importe où. La relativité n'est que le début d'un bouleversement total de toute la physique qui donnera lieu à la mécanique quantique, à la relativité générale et ouvrira les portes de la cosmologie et l'astrophysique et permettra d'évoquer certaines théories comme le big bang par exemple.

Voilà ! J'espère que je n'ai pas été trop approximatif dans mes explications, je voulais vous raconter tous les événements qui ont amené l'élaboration de la théorie actuelle de la relativité restreinte. Je ferai plus tard un article court permettant de décrire de façon simple et succincte en quoi consiste cette théorie et ses limites.

Si cet article vous à plu, n'hésitez pas à donner votre avis en laissant un commentaire, et surtout partagez le ! 🙂

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Vous voulez en savoir plus sur la relativité ? Je vous suggère de lire ce livre de Albert Einstein traitant de relativité restreinte et générale. Ce livre reprend les publications d'Einstein en 1905 et 1916 lors de l'avènement des deux théories. Un bagage mathématique de niveau Terminale est recommandé pour pouvoir lire ce livre.

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A propos Loann Brahimi

Je suis étudiant en Master Cosmos, Champs et Particules à l'université de Montpellier. Ce blog est une manière de transmettre ma passion, une façon d'aider ceux qui voudraient faire de la physique leur gagne pain et de créer un engouement autour de cette science mal comprise.

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