La STO, également connue sous le nom de théorie de la relativité restreinte, est un modèle descriptif élaboré des relations entre l’espace-temps, le mouvement et les lois de la mécanique, créé en 1905 par Albert Einstein, lauréat du prix Nobel.
Lorsqu’il est entré au département de physique théorique de l’université de Munich, Max Planck a demandé conseil au professeur Philipp von Jolly, qui dirigeait alors le département de mathématiques de l’université. Le conseil qu’il reçoit est que «presque tout dans ce domaine a déjà été découvert, et qu’il ne reste plus qu’à résoudre quelques problèmes pas très importants». Le jeune Planck répondit qu’il ne voulait pas découvrir de nouvelles choses, mais seulement comprendre et systématiser ce qui était déjà connu. C’est ainsi que de l’un de ces «problèmes peu importants» est née plus tard la théorie quantique, et d’un autre la théorie de la relativité.
Table des matières
Formation de la théorie
La formule de la théorie de la relativité
Contrairement à de nombreuses autres théories fondées sur des expériences physiques, la théorie d’Einstein repose presque entièrement sur ses expériences mentales et n’a été confirmée que plus tard dans la pratique. Ainsi, en 1895 (à l’âge de 16 ans seulement), il s’est demandé ce qui se passerait s’il voyageait parallèlement à un faisceau de lumière à la vitesse de celui-ci. Dans une telle situation, il s’est avéré que pour un observateur extérieur, les particules de lumière devaient osciller autour d’un seul point, ce qui contredisait les équations de Maxwell et le principe de relativité (selon lequel les lois physiques ne dépendent pas de l’endroit où l’on se trouve et de la vitesse à laquelle on se déplace). Le jeune Einstein en vint donc à la conclusion que la vitesse de la lumière devait être inaccessible pour un corps matériel, et la première brique fut posée dans les fondations de la future théorie.
L’expérience suivante a été réalisée par lui en 1905 et consiste à placer aux extrémités d’un train en marche deux sources de lumière pulsée qui s’allument en même temps. Pour un observateur extérieur, devant lequel le train passe, ces deux événements se produisent simultanément, mais pour un observateur situé au centre du train, ces événements sembleront se produire à des moments différents, car l’éclair de lumière provenant du début du wagon arrivera plus tôt que celui provenant de sa fin (en raison de la constance de la vitesse de la lumière).
Expérience mentale avec un train
Il en a tiré une conclusion très audacieuse et d’une portée considérable, à savoir que la simultanéité des événements est relative. Il a publié les calculs obtenus sur la base de ces expériences dans son article «On the Electrodynamics of Moving Bodies» (Sur l’électrodynamique des corps en mouvement). Pour un observateur en mouvement, l’une de ces impulsions aura plus d’énergie que l’autre. Pour que, dans une telle situation, la loi de conservation de la quantité de mouvement lors du passage d’un référentiel inertiel à un autre ne soit pas violée, il était nécessaire que l’objet perde de la masse en même temps que de l’énergie. C’est ainsi qu’Einstein est parvenu à la formule caractérisant la relation entre la masse et l’énergie E=mc 2 — qui est probablement la formule physique la plus célèbre à l’heure actuelle. Il publie les résultats de cette expérience plus tard dans l’année.
Les postulats de base
Équations de la relativité : vitesse, temps et longueur d’un objet par rapport à la mécanique newtonienne.
Constance de la vitesse de la lumière — dès 1907, des expériences ont permis de mesurer la vitesse de la lumière avec une précision de ±30 km/s (supérieure à la vitesse orbitale de la Terre) sans détecter de variation au cours de l’année. Ce fut la première preuve de l’invariabilité de la vitesse de la lumière, qui fut confirmée par la suite par de nombreuses autres expériences, tant par des expérimentateurs au sol que par des véhicules automatiques dans l’espace.
Le principe de relativité — ce principe définit l’invariabilité des lois physiques en tout point de l’espace et dans tout cadre de référence inertiel. En d’autres termes, que vous vous déplaciez à une vitesse d’environ 30 km/s le long de l’orbite du Soleil avec la Terre ou dans un vaisseau spatial bien au-delà, vous obtiendrez toujours les mêmes résultats lors d’une expérience physique (si votre vaisseau n’est pas accéléré ou ralenti à ce moment-là). Ce principe a été confirmé par toutes les expériences menées sur Terre, et Einstein a raisonnablement estimé que ce principe était vrai pour le reste de l’univers.
Conséquences
En effectuant des calculs sur la base de ces deux postulats, Einstein est parvenu à la conclusion que, pour l’observateur se déplaçant dans le navire, le temps doit ralentir à mesure que la vitesse augmente, et que lui-même, ainsi que le navire, doivent diminuer de taille dans la direction du mouvement (afin de compenser les effets du mouvement et de se conformer au principe de relativité). La condition de finitude de la vitesse pour un corps matériel a également entraîné le remplacement de la règle d’addition des vitesses (qui avait une forme arithmétique simple dans la mécanique de Newton) par des transformations de Lorentz plus compliquées — dans ce cas, même si nous additionnons deux vitesses à 99 % de la vitesse de la lumière, nous obtiendrons 99,995 % de cette vitesse, mais nous ne la dépasserons pas.
Statut de la théorie
Documents sur le sujet
Comme il n’a fallu que 11 ans à Einstein pour élaborer une version générale de la théorie à partir d’une théorie privée, aucune expérience n’a été réalisée pour confirmer directement la STO. Cependant, la même année que la publication de la RG, Einstein a également publié ses calculs, qui expliquaient le déplacement du périhélie de Mercure avec une précision de quelques fractions de pour cent, sans qu’il soit nécessaire d’introduire de nouvelles constantes et d’autres hypothèses requises par les autres théories qui expliquaient ce processus. Depuis lors, la justesse de la RG a été confirmée expérimentalement avec une précision de 1 0-20 , et de nombreuses découvertes ont été faites sur cette base, ce qui prouve sans équivoque la justesse de cette théorie.
La primauté de la découverte
Lorsque Einstein a publié ses premiers articles sur la théorie de la relativité restreinte et a commencé à rédiger sa version générale, d’autres scientifiques avaient déjà découvert une partie importante des formules et des idées sous-jacentes à cette théorie. Ainsi, les transformations de Lorentz sous leur forme générale ont été obtenues pour la première fois par Poincaré en 1900 (5 ans avant Einstein) et ont été nommées ainsi en l’honneur de Hendrik Lorentz qui avait obtenu une version approximative de ces transformations, bien que même dans ce rôle il ait été surpassé par Woldemar Vogt.
Poincaré a également travaillé à la création de la théorie de la relativité et est parvenu au principe de la relativité et de l’espace-temps à quatre dimensions quelques années avant Einstein, mais comme il n’a pas eu le courage d’abandonner l’éther dans ses calculs, il n’a pas été en mesure de trouver la bonne solution.
Ainsi, de nombreux scientifiques en viennent à la conclusion que, même si Einstein n’était pas là, l’égalité des masses d’inertie et de gravitation et un certain nombre d’autres détails nécessaires à la construction de la théorie de la relativité devraient bientôt être trouvés par l’un des autres chercheurs. Or, au moment de la publication de la RG en 1915, personne d’autre n’avait franchi ces dernières étapes, de sorte que la primauté d’Einstein dans la création de la théorie de la relativité n’est contestée par aucun des scientifiques sérieux à l’heure actuelle.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023