RELATIVITÉÀ l'heure actuelle, la théorie de la relativité restreinte (1905), remplace les lois de lamécanique newtonienne, ces lois qui permettent de trouver le mouvement descorps à partir des forces qui s'exercent sur eux.

RELATIVITÉ À l'heure actuelle, la théorie de la relativité restreinte (1905), remplace les lois de la mécanique newtonienne, ces lois qui permettent de trouver le mouvement des corps à partir des forces qui s'exercent sur eux. La théorie générale de la relativité, mise au point entre 1907 et 1915, se substitue à la théorie de Newton de la gravitation universelle. Les lois de Newton sont maintenant des cas limites dans ces nouvelles théories : elles demeurent valables tant qu'aucune vitesse ne devient comparable à celle de la lumière qui est tellement gigantesque (environ 300 000 kilomètres par seconde) que, quelles que soient les performances des trains, des avions ou même des fusées, nous pourrons encore longtemps continuer à les utiliser pour décrire les phénomènes de notre vie quotidienne. En revanche, l'étude de la cosmologie, par exemple, ou encore celle de la physique des particules, doivent se faire dans le cadre de la relativité. La théorie de la relativité ne fait rien d'autre que tirer toutes les conséquences du principe de relativité, dont une première version date de Galilée. LA RELATIVITÉ RESTREINTE Le principe de relativité restreinte énonce que les lois de la physique sont les mêmes dans un train immobile et dans un train qui roule en ligne droite à vitesse constante. Autrement dit, les résultats d'expériences effectuées à l'intérieur du train ne permettent pas de déterminer si le train roule ; pour le savoir, il faut regarder par la fenêtre. Du point de vue du physicien, on ne peut donc pas parler dans l'absolu d'immobilité ou de mouvement, mais seulement du mouvement du train par rapport au sol ou, tout aussi bien, du mouvement du sol par rapport au train. Plus généralement, le mouvement d'un corps est défini relativement à un autre, d'où le mot de relativité. Si on l'appelle le principe de " relativité restreinte ", c'est à cause de la restriction sur les mouvements du train qui sont envisagés : en ligne droite et à vitesse constante. En ce qui concerne les mouvement des objets (la mécanique), le principe de relativité date de 1632, et a été formulé par Galilée dans le Dialogue concernant les deux principaux systèmes du monde. Voici un long extrait de cet ouvrage, dans lequel le principe galiléen est expliqué clairement : " Enfermez vous avec un ami dans la plus vaste cabine d'un grand navire, et faites en sorte que s'y trouvent également des mouches, des papillons et d'autres petits animaux volants, qu'y soit disposé un grand récipient empli d'eau dans lequel on aura mis des petits poissons ; suspendez également à bonne hauteur un petit seau et disposez-le de manière que l'eau se déverse goutte à goutte dans un autre récipient à col étroit que vous aurez disposé en dessous ; puis alors que le navire est à l'arrêt, observez attentivement comment ces petits animaux volent avec des vitesses égales quel que soit l'endroit de la cabine vers lequel ils se dirigent ; vous pourrez voir les poissons nager indifféremment dans toutes les directions ; les gouttes d'eau tomberont toutes dans le récipient posé par terre [...]. Une fois que vous avez observé attentivement tout cela [...], faites se déplacer le navire à une vitesse aussi grande que vous voudrez ; pourvu que le mouvement soit uniforme et ne fluctue pas de-ci de-là, vous n'apercevrez aucun changement dans les effets nommés, et aucun d'entre eux ne vous permet de savoir si le navire avance ou bien s'il est arrêté : [...] les gouttes d'eau tomberont 1 comme auparavant dans le récipient qu'on aura mis en dessous, sans qu'une seule goutte ne tombe du côté de la poupe, bien que pendant le temps où la goutte est en l'air le navire ait parcouru plus d'un empan ; les poissons dans leur eau nageront sans plus d'effort vers l'une ou l'autre partie du récipient dans lequel on les aura mis et ils se dirigeront avec autant d'aisance vers la nourriture quel que soit l'endroit du bord du bocal où elle aura été placée ; enfin les papillons et les mouches continueront à voler indifféremment dans toutes les directions. Et on ne les verra jamais s'accumuler du côté de la cloison qui fait face à la poupe ; ce qui ne manquerait pas d'arriver s'ils devaient s'épuiser à suivre le navire dans sa course rapide. " S'il a eu, à son époque, une importance considérable par sa rupture avec la description aristotélicienne et religieuse du monde, le principe de la relativité galiléenne n'a plus rien pour nous étonner : dans un TGV roulant à sa vitesse de croisière, le café servi au bar coule dans la tasse de la même façon qu'au buffet de la gare. Lorsqu'on se déplace dans les couloirs, tant que le train ne tourne ni ne freine, il n'est pas nécessaire de faire d'autres efforts que ceux qu'implique la marche ordinaire sur le quai. En 1905, Einstein a étendu le principe de la relativité restreinte à toutes les lois de la physique et cette démarche apparemment anodine a des conséquences totalement surprenantes. LA NOTION DE RÉFÉRENTIEL Avant de poursuivre, précisons un peu. Pour décrire les lois de la physique, il faut un système de référence, c'est-à-dire trois axes gradués (longitude, latitude et altitude, par exemple) et une horloge qui permettent de préciser la position et l'instant où se produisent chaque événement ; un tel ensemble est appelé un référentiel. Les référentiels sont le plus souvent définis à partir d'un objet solide : on parle de référentiel de la Terre, de référentiel du train... On appellera référentiel du train celui dans lequel le train reste immobile, l'horloge étant embarquée à bord du train. Nous pouvons maintenant formuler le principe de relativité restreinte de façon plus précise et moins ferroviaire : les lois de la physique prennent la même forme dans tous les référentiels qui se déplacent à vitesse constante les uns par rapport aux autres. (Rappelons que, pour les physiciens, la vitesse est représentée par un vecteur, et que " vitesse constante " signifie nécessairement que le mouvement a lieu en ligne droite). Avant de pouvoir décrire les conséquences étonnantes du principe de relativité d'Einstein, il nous faut procéder à un rappel de la mécanique selon Galilée et Newton. LES CHANGEMENTS DE RÉFÉRENTIEL EN MÉCANIQUE CLASSIQUE : ADDITION DES VITESSES La description d'un mouvement dépend du référentiel : le conducteur du train qui ne doit pas quitter la motrice est immobile dans le référentiel du train ; dans le référentiel de la Terre au contraire, il se déplace de Paris à Marseille, à une vitesse égale à celle du train. On dit que l'espace est relatif car la distance qui sépare deux événements dépend du référentiel (sauf si les deux événements sont simultanés). Ainsi, le départ du train de la gare de Paris et son arrivée dans la gare de Marseille 2 sont des événements distants de 1 000 kilomètres dans le référentiel de la Terre, mais qui ont lieu au même endroit dans le référentiel du train : le conducteur n'a pas eu besoin de marcher pour assister aux deux. Au contraire, en mécanique classique, le temps est absolu : l'intervalle de temps qui sépare deux événements a la même valeur dans tous les référentiels : la durée du voyage est la même qu'on la mesure à l'aide de la montre d'un passager du train ou en utilisant les horloges qui se trouvent dans les gares. Considérons maintenant le contrôleur qui arpent...