Théorie de la relativité

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Le nom de théorie de la relativité englobe deux théories formulées par Albert Einstein: la relativité restreinte et la relativité générale qui est une extension à la première.

Relativité restreinte[modifier | modifier le wikicode]

Ces deux théories essayent de résoudre l'incompatibilité entre la physique dite newtonienne (en référence à Isaac Newton), et l'électromagnétisme avec les équations de Maxwell. Lorsque l'on utilise la physique newtonienne et l’électromagnétisme séparément cela ne pose aucun problème. Cependant lorsque l'on essaye d'utiliser les deux, cela ne marche plus du tout.

En effet, du côté de la physique newtonienne, tous les référentiels se valent et on considère également que la lumière a une vitesse infinie. Par exemple on peut dire qu'un train avance et que le quai est immobile ou alors que c'est le quai qui avance et le train qui est immobile. Aucune expérience ne permet d'affirmer ou d'infirmer une des deux théories. En électromagnétisme, la lumière a une vitesse finie et est transportée par l'éther. Einstein se passe complètement de l'éther. Il garde de la physique newtonienne le fait que tous les référentiels se valent et que pour Maxwell la lumière est une onde électromagnétique.

Dans les équations de Maxwell, la vitesse à laquelle se propage une onde électromagnétique est constante, donc la lumière va toujours à la même vitesse. Einstein se demande alors par rapport à quoi la lumière est-elle constante. En effet, comme tous les référentiels se valent, la vitesse est-elle toujours la même pour un observateur immobile et un autre en mouvement. Einstein en conclut alors que la vitesse de la lumière est toujours identique, uniquement dans le vide ou dans l'air.

Cela pose quand même un problème qu'il est assez simple d'expliquer. Prenons un interrupteur allumant deux lampes, si l'on se situe à égale distance de ces deux lampes lorsque que l'on appuie sur l'interrupteur, la lumière qu'elles émettent nous parvient en même temps elles sont donc simultanées, maintenant si l'on se place à gauche de la lampe de gauche, lorsqu'on allume les lampes on va d'abord voir s'allumer la lampe de gauche puis celle de droite, donc pour l'observateur à gauche, les lampes ne sont pas simultanées. Pourquoi il peut y avoir à la fois une simultanéité et une non-simultanéité ?

Einstein tente alors de répondre à cette question, en allant même jusqu'à repenser les bases de la physique classique (temps absolu et espace absolu) en définissant un absolu: la vitesse de la lumière. Il va utiliser les notions de contraction des longueurs et de dilatation du temps, cela permet d'expliquer tous les phénomènes liés aux caractéristiques de la lumière tout en étant compatible à la fois avec l’électromagnétisme de Maxwell et à la physique classique. Il dit que l'espace et le temps forment une seule entité et que cette dernière bouge.

Pour comprendre la relativité restreinte, il faut avoir en tête deux principes:

  • Prenons l'exemple d'un observateur situé au pied de l'Arc de Triomphe, pour cet observateur, l'Arc de Triomphe semble bel et bien mesurer 50 m de haut, mais pour un observateur situé à l'autre bout des Champs-Élysées, l'Arc de Triomphe semble tenir entre deux doigts.
  • Prenons l'exemple d'une voiture roulant sur une route droite, il y a alors trois possibilités : soit c'est la voiture qui avance et le sol qui est immobile, soit c'est le sol qui avance et la voiture qui est immobile, soit les deux avancent. Disons que la voiture roule à 30 km/h et qu'une personne lance une balle devant la voiture à 25 km/h. Pour l'observateur dans la voiture la balle part à 25 km/h, mais au niveau du sol la vitesse de la voiture et de la balle s'additionnent on a donc 30+25=55 km/h. Si maintenant une personne lance une balle vers l'arrière toujours à 25 km/h. Au niveau du sol la balle part à 25 km/h, mais pour l'observateur dans la voiture, elle part à la vitesse de la voiture moins la vitesse de la balle donc à 30-25 km/h. Cela s’appelle les lois de la composition de la vitesse.

On peut imaginer une simultanéité entre le point de vue de la voiture et celui du sol. Prenons un point au sol que nous appelons A et appelons I le moment où la voiture passe le point A, que l'on soit au sol ou dans la voiture c'est identique.

Si l'on remplace les balles par des pointeurs laser, lorsque l'on va allumer le pointeur, la lumière va partir à sa vitesse qui est appelée c, qui est à peu près égale à 300 000 km/s. Pour l'observateur, si l'on suit la loi de composition des vitesses, il va effectivement voir partir la lumière à la vitesse de la lumière, mais pour l'observateur au sol la lumière va à 300 000 km/s plus les 50 km/h de la voiture ce qui est impossible, car la vitesse de la lumière est la même quel que soit l'observateur.

Maintenant imaginons que l'observateur est au point A et qu'à l'instant I, les deux observateurs appuient sur leur pointeur, donc les rayons lasers vont partir à la même vitesse, donc la loi de composition des vitesses n'est plus valable. Un problème se pose en effet quand le laser au sol a parcouru la longueur équivalant à une voiture, le laser dans la voiture n'a pas fait atteinte le bout de la voiture, il y a deux possibilités soit les deux rayons ont parcouru la même distance par rapport au sol, mais le laser de la voiture n'est pas encore arrivé à l'avant de la voiture, donc on en déduit que la vitesse de la lumière à l'intérieur de la voiture est inférieure ce qui est impossible. L'autre possibilité c'est que le laser de la voiture et celui du sol ont parcouru une distance équivalente à une voiture, mais comme la voiture a avancé, pour un observateur au sol, la vitesse de la lumière à l'intérieur de la voiture est plus rapide que celle au sol ce qui est également impossible.

Pour résoudre ce problème, Einstein va employer la notion de contraction de l'espace. On en revient à l'exemple de l'arc de Triomphe, c'est un point de vue. Du point de vue du sol, il suffit donc de contracter la voiture quand le laser au sol a parcouru une longueur de voiture, pour que le laser de la voiture ait également parcouru une longueur de voiture, cette fois c'est correct. En effet, la lumière va à la même vitesse quel que soit le point de vue. Cependant il faut également que ce soit correct du point de vue de la voiture, donc c'est le sol qui est contracté, si l'on allume les deux rayons laser, le laser au sol va trop vite par rapport au rayon laser de la voiture, du point de vue de la voiture.

Il faut alors introduire la notion de dilatation du temps, plus la vitesse est grande, plus le temps s'écoule lentement, l'exemple donné par Einstein est qu'une minute au dessus d'une poêle chaude semble durer des heures alors qu'une minute à côté d'une jolie fille semble durer une seconde. Maintenant reprenons notre point de vue depuis la voiture, en même temps que d'appuyer sur les pointeurs lasers, les observateurs appuient sur un chronomètre, en cinq secondes au sol le laser a parcouru une longueur de voiture et en cinq secondes dans la voiture, le rayon laser a parcouru une longueur de voiture. Maintenant essayons du point de vue du sol, cela ne marche pas, le rayon au sol allant encore une fois beaucoup trop vite.

Maintenant utilisons la contraction de l'espace et la dilatation du temps, cependant il faut faire intervenir un troisième paramètre que les anglais appelle la rotation du temps. Imaginons que lorsque la voiture passe le point A, on fige le temps, pour l'observateur au sol la voiture étant contractée, l'avant se situe un peu avant le 1 (une longueur de voiture normale), pour l'observateur dans la voiture le sol est contracté et l'avant de la voiture est situé après le 1. Alors qu'il y a simultanéité à l'arrière quel que soit le point de vue, il semblerait que plus l'on s'éloigne de A, plus l'écart va être grand.

Du point de vue du sol, on a le chronomètre de l'observateur au sol, celui à l'arrière de la voiture et celui à l'avant de la voiture qui est à -5 s. Les deux observateurs appuient sur les rayons lasers, au sol le rayon met 5 secondes pour faire une longueur de voiture, dans la voiture le rayon fait une longueur de voiture quand le chronomètre à l'avant indique 5 s.

Maintenant du point de vue de la voiture, on a toujours les deux chronomètres des observateurs, plus un troisième chronomètre au niveau du point 1 qui avance de 5s, le rayon laser au sol arrive au point 1 quand le chronomètre de l'observateur au point 1 indique 10 s, le rayon laser dans la voiture arrive à l'avant de la voiture quand le chronomètre de la voiture indique également 10 s. Donc cela marche quel que soit le point de vue.

Pour la relativité restreinte, Einstein s'appuie sur différents phénomènes déjà expérimentés. De plus, cela marche avec l’électromagnétisme et la physique classique. En physique classique, la contraction de l'espace et la dilatation du temps sont minimes tant que l'on n'approche pas de très grande vitesse. Avec cette théorie, on peut utiliser à la fois, la physique classique et l’électromagnétisme.

Il faut cependant noter que la relativité restreinte ne prend pas en compte la gravitation. Pour résumer simplement: l'espace et le temps sont liés et se déplacent, donc que le temps est la seule dimension avec un sens : passé vers futur et que le fait de se déplacer affecte ses dimensions, l'espace peut se contracter et le temps se dilater.

Plus tard en 1905, Einstein cherche à calculer l'énergie (noté E) d'une particule qui est à l'arrêt (noté m) ce qui donne E=m... Et Einstein découvre que l'énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré ce qui donne E=mc2.

Relativité générale[modifier | modifier le wikicode]

La relativité générale, développée par Einstein pour étendre le champ d’application de la relativité restreinte à tous les référentiels, a été publiée en 1916 sous le titre General Theory of Relativity (« Théorie générale de la relativité »). Elle permet de manipuler des objets plus lourds (comme des étoiles et des trous noirs) et plus rapides (vitesses proches de celle de la lumière), et ainsi de traiter de nombreuses questions d’astrophysique et de cosmologie, entre autres.

Pour en savoir plus Pour en savoir plus, lire l’article : Relativité générale.
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