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donc ...À la fin du XVIIe siècle, Isaac Newton énonça les principes fondamentaux de la mécanique, résumés par ce qu´on appelle aujourd´hui les lois de la mécanique classique. Avant l´introduction de la théorie de la relativité, les lois de la mécanique étaient communément acceptées par les scientifiques. La mécanique newtonienne et la mécanique relativiste diffèrent par leurs hypothèses fondamentales et leur traitement mathématique. Cependant, les résultats globaux qu´elles permettent d´établir ne sont pas toujours contradictoires, surtout lorsque l´on étudie des situations physiques "simples". Par exemple, lorsque l´on cherche à prédire le comportement de deux boules de billard qui viennent de s´entrechoquer, la mécanique classique et la mécanique relativiste donnent des résultats quasiment identiques. Les calculs mathématiques classiques étant bien plus simples que les calculs en mécanique relativiste, on préfère les utiliser pour étudier de tels cas. Par contre, lorsque la vitesse des corps, ou particules, est proche de la vitesse de la lumière, les deux théories prédisent des comportements très différents. Il faut alors appliquer les lois de la mécanique relativiste.
La limite d´application de la mécanique classique à un corps en mouvement est définie par un facteur introduit par les physiciens Lorentz et Fitzgerald à la fin du XIXe siècle. Ce facteur est représenté par la lettre grecque bêta et est défini par: béta=v/c, avec v la vitesse du corps et c la vitesse de la lumière, soit 3.108m/s. On utilise la mécanique classique lorsque b est négligeable devant 1. Pour b proche de 1, il faut appliquer la mécanique relativiste. Ainsi, pour les phénomènes terrestres courants (mécanique du solide, balistique), les corrections relativistes peuvent être négligées. Par contre, lorsque les vitesses des corps deviennent très élevées, comme dans certains phénomènes astronomiques, les corrections relativistes sont significatives. De même, lorsque les distances considérées sont très grandes, ou lorsque l´on étudie des agrégats de matière quantitativement importants, l´utilisation des principes relativistes est indispensable. De la même façon que la théorie quantique s´applique à l´infiniment petit, la théorie de la relativité s´applique à l´infiniment grand.
Les principes de la physique classique étaient universellement acceptés jusqu´en 1887. Cette année-là, le physicien Albert Michelson et le chimiste Edward Williams Morley réalisèrent l´expérience portant leurs noms. Les deux scientifiques tentèrent de déterminer la vitesse de la Terre dans l´éther, substance censée transmettre les rayonnements électromagnétiques et supposée occuper tout l´espace. Si le Soleil était immobile dans l´espace, la Terre aurait une vitesse constante de 29km/s du fait de sa révolution autour du Soleil. En revanche, si le Soleil et le Système solaire étaient en mouvement dans l´espace, la direction variable du mouvement orbital de la Terre impliquerait que sa vitesse apparente est une combinaison de sa vitesse propre et de la vitesse du Soleil. Le résultat de l´expérience fut inattendu et fut à cette époque inexplicable: la vitesse apparente de la Terre dans l´éther hypothétique est nulle.
Dans la pratique, l´expérience de Michelson-Morley devait permettre de détecter une différence de vitesse de la lumière, en utilisant deux faisceaux lumineux se propageant dans deux directions différentes de l´espace. En effet, si un rayon lumineux et un observateur se déplaçaient dans la même direction de l´espace aux vitesses respectives de 300000km/s et 29km/s, la lumière dépasserait l´observateur, avec une vitesse apparente qui serait la différence entre ces deux vitesses. Si l´observateur se déplaçait dans la direction opposée à celle de la lumière, la vitesse apparente du Soleil serait la somme des deux vitesses. C´est cette différence que l´expérience de Michelson-Morley n´est pas parvenue à détecter.
Dans les années 1890, Lorentz et Fitzgerald avancèrent indépendamment l´hypothèse suivante: lorsqu´un corps se déplace dans l´espace, la longueur de sa trajectoire est contractée dans le sens du mouvement. L´échec de l´expérience de Michelson-Morley put alors être expliqué. Bien que l´un des faisceaux de lumière se déplace plus lentement que l´autre, c´est-à-dire qu´il parcourt dans le même temps une distance plus faible, cette dernière est mesurée avec des instruments soumis au même raccourcissement, selon l´hypothèse de Lorentz-Fitzgerald. Le phénomène prévu est donc inobservable. Ainsi, dans l´expérience de Michelson-Morley, la distance parcourue par la lumière en 1s semble être la même, quelle que soit la vitesse avec laquelle la lumière se propage réellement. La contraction de Lorentz-Fitzgerald fut cependant considérée par les scientifiques comme peu satisfaisante, car elle utilise la notion de mouvement absolu pour conclure qu´un tel mouvement ne peut être observé.
Relativité restreinte
En 1905, Einstein publia le premier article important sur la théorie de la relativité. Le scientifique nie alors l´existence du mouvement absolu. Selon lui, dans l´Univers, aucun corps particulier ne peut fournir de système de coordonnées de référence universel qui soit au repos absolu. Tout corps fournit par contre un système de référence convenable, dans lequel tout mouvement peut être étudié. Il est donc tout aussi correct d´affirmer qu´un train passe devant une gare, ou que la gare se déplace par rapport au train. Selon Einstein, tout mouvement est donc relatif et on doit préciser le référentiel d´étude.
Aucune des hypothèses fondamentales d´Einstein n´est révolutionnaire, surtout si l´on se borne à l´exemple du train. En effet, Newton avait déjà affirmé que le repos absolu ne pouvait pas être défini par rapport à la position des corps qui nous entourent. Ce qui fut nouveau, c´était d´affirmer que la vitesse relative de tout observateur par rapport à un rayon lumineux est toujours la même, soit approximativement 300000km/s. Ainsi, si deux observateurs se déplacent l´un par rapport à l´autre à une vitesse de 160000km/s, et mesurent la vitesse d´un même rayon de lumière, ils trouveront tous les deux que ce dernier se déplace à 300000km/s. Ce résultat apparemment anormal fut démontré par l´expérience de Michelson-Morley. Selon la physique classique, l´un des observateurs peut être au repos, pendant que l´autre fait une erreur de mesure due à la contraction de Lorentz-Fitzgerald. Selon Einstein, les deux observateurs peuvent se considérer au repos, et aucun d´entre eux n´a commis d´erreur de mesure. Chaque observateur utilise en effet un système de coordonnées propre comme référentiel. On peut passer d´un système de coordonnées à l´autre par une transformation mathématique. Les équations de cette transformation, connues sous le nom de groupe de transformations de Lorentz, furent adoptées par Einstein. Celui-ci les a cependant différemment interprétées, en avançant que la vitesse de la lumière reste invariable dans toute transformation de Lorentz.
D´après la théorie relativiste, les distances sont modifiées dans le sens du mouvement de l´objet, ainsi que la masse et le temps. Ces transformations sont déterminées par le facteur gamma. L´électron, découvert au début du XXe siècle, constitue un bon objet d´étude pour vérifier de telles assertions. Les électrons émis par des substances radioactives ont des vitesses proches de celle de la lumière. Lorsqu´un électron se déplace rapidement dans un champ magnétique, sa masse peut être facilement déterminée en mesurant la courbure de sa trajectoire. Lorsque le champ est constant, plus l´électron est lourd, plus son inertie est grande et la courbure de la trajectoire petite. On constate qu´au cours du mouvement, la masse de l´électron est doublée. Les expériences confirment les prédictions d´Einstein: la masse de l´électron augmente exactement de la valeur prédite. L´énergie cinétique de l´électron accéléré est convertie en masse, selon la formule E=mc², qui traduit l´équivalence masse/énergie.
L´hypothèse fondamentale soutenant la théorie d´Einstein est la non-existence du repos absolu dans l´Univers. Einstein postula que deux observateurs, se déplaçant l´un par rapport à l´autre à une vitesse constante, observent des "lois de la nature" identiques. Toutefois, l´un des observateurs peut enregistrer deux événements sur des étoiles éloignées comme s´ils avaient lieu simultanément, pendant que le second observateur constate qu´un événement s´est produit avant l´autre. Cette divergence des observations n´est pas une objection valable à la théorie de la relativité. En effet, selon cette dernière, la simultanéité n´existe pas pour des événements éloignés. En d´autres termes, il est impossible de seulement spécifier le moment où l´événement se produit, sans préciser l´endroit où il a lieu. La "distance" ou l´ "intervalle" entre deux événements peut être décrit exactement en combinant les intervalles de temps et d´espace, mais pas par l´un ou l´autre séparément. L´espace-temps à quatre dimensions (trois dimensions pour l´espace et une pour le temps), dans lequel tous les événements de l´Univers ont lieu, est appelé continuum espace-temps. Dans cet espace, le mouvement spatio-temporel d´un corps est décrit par sa ligne universelle.