L'histoire de la théorie de la relativité

En 1905, Einstein formule la théorie de la relativité restreinte, qui résout les contradictions entre la relativité galiléenne et l'électromagnétisme. Dix ans plus tard, en 1915, l'équation de champ d'Einstein - au cœur de la théorie de la relativité générale - résout le conflit entre la relativité restreinte et la théorie de la gravitation de Newton. Une nouvelle physique et une nouvelle façon de voir l'univers est née. Voici l'histoire (et surtout la portée) de cette découverte.

À la dernière minute, Einstein a eu une réflexion après coup. Quelque chose manquait. Il a repris l'article qu'il avait préparé pour la prestigieuse revue scientifique Annalen der Physik, et a ajouté un post scriptum, trois pages écrites avec une écriture claire et ordonnée, pour illustrer une dernière conséquence inévitable de sa théorie: l'énergie est équivalente à la matière, E = mc2.

Ainsi, la formule la plus célèbre de toute l'histoire de la science est apparue pour la première fois dans le post scriptum d'un article signé par Albert Einstein, un employé obscur de l'Office des brevets de Berne.

Cette formule stipule que l'énergie impalpable peut être transformée en matière concrète, et vice versa ... un événement presque magique mais (peut-être pour cette raison même) compréhensible pour tous. Le reste de la théorie de la relativité, en revanche, est plus difficile à digérer: pour la comprendre, vous devez retourner ce que les sens nous disent, l'expérience et même les vieux livres de physique.

LA THÉORIE DE LA RELATIVITÉ RESTREINTE. Mais allons-y dans l'ordre. En ce qui concerne la relativité, en général, deux écrits d'Einstein différents sont rassemblés, l'un de 1905 (relativité restreinte) et l'autre de 1915 (relativité générale, publié plus tard au début de 1916). Comment les distinguer?

C'est simple: la relativité générale concerne la gravité, pas la relativité restreinte. Par conséquent, tous les phénomènes impliquant l'attraction gravitationnelle, tels que les trous noirs, concernent la relativité générale. Voici ce que dit la théorie de la relativité restreinte.

Tout le monde sait que les sens peuvent nous tromper. Par exemple, quand on regarde une longue route droite, on a l'impression qu'elle rétrécit au loin, mais on ne rêve pas de confondre ce sentiment avec la réalité. La relativité fait la même chose: jetez tout ce qui dépend du point de vue, et gardez ce qui reste constant dans n'importe quelle condition.

Le temps ralentit, la masse augmente, les objets raccourcissent. Il n'est cependant pas facile de découvrir ce qui ne varie pas. Temps? Le bon sens nous dit que si une cloche sonne à New York et après un moment une autre cloche sonne à Rome, l'ordre des deux événements est incontestable. La théorie de la relativité affirme plutôt que la vitesse de l'observateur influence également la perception de l'avant et de l'après, et donc que le passage du temps n'est pas universel.

Comment Einstein est-il parvenu à une telle conclusion? Le scientifique allemand est parti du fait, bien connu même à son époque, que la lumière se propage à une vitesse très élevée mais pas infinie, exactement 299 792 kilomètres par seconde. Les vitesses que nous mesurons dépendent cependant de notre propre vitesse: la voiture qui nous dépasse, par exemple, semble parfois d'une lenteur exaspérante. Si cela s'applique également à la lumière, les rayons émis par une étoile devraient sembler plus rapides ou plus lents selon que la Terre s'approche ou s'éloigne de l'étoile. Cependant, cela ne se produit pas, la vitesse de la lumière ne varie pas, et cette bizarrerie a été démontrée pour la première fois par deux physiciens américains, Michaelson et Morley, en 1891.

Einstein en a tiré les conséquences. Si une vitesse reste constante même si, selon la logique, elle devrait varier, alors il n'y a qu'une seule explication: c'est le compteur de vitesse qui ne fonctionne pas comme d'habitude. Et pas à cause de lui, explique Einstein, mais parce que les objets que le pauvre compteur de vitesse doit mesurer changent: l'espace et le temps ne sont plus les mêmes. Et l'instrument enregistre fidèlement le résultat: une vitesse qui ne change jamais. Mais comment l'espace et le temps changent-ils? Voici un exemple. Si un astronaute sur la lune regardait dans la cabine d'une fusée qui passait, il verrait ses collègues à bord de la fusée se déplacer au ralenti, et les objets sur le vaisseau spatial "raccourcir" le long de la direction du mouvement.

Mais même les astronautes en transit verraient leur collègue sur la lune se déplacer au ralenti. Pourquoi? Si d'une part le temps ralentit, d'autre part ne devrait-il pas s'accélérer? Pas du tout. Pensez à deux hommes à une centaine de mètres: le premier voit l'autre rétréci par la distance, mais pas pour cela le second voit le premier élargi. La théorie de la relativité introduit donc le concept d'une perspective temporelle provoquée par la vitesse.

Toutes les bizarreries de la relativité proviennent de ce seul concept, même l'équation E = mc2. Selon les anciennes théories, en effet, en continuant à pousser un corps, sa vitesse devrait augmenter indéfiniment, et c'est impossible: rien ne peut aller plus vite que la lumière. Que se passe-t-il alors? Simple: l'énergie fournie n'augmente pas la vitesse du corps, mais sa masse: le corps devient de plus en plus "lourd". En ce sens, la masse n'est qu'une forme d'énergie. Et le 6 août 1945, avec le lancement de la bombe atomique sur Hiroshima, le monde a eu la démonstration la plus convaincante de ce principe.

Relativité générale. Toutes les vitesses ne sont pas relatives ...

La vitesse est une question de point de vue. En fait, en mesurant la vitesse d'un objet (par exemple une balle), il est impossible de prendre en compte sa propre vitesse. Pensez à une balle tirée d'un train en marche: si l'instrument de mesure est sur le train, il détecte une certaine valeur, disons 200 kilomètres à l'heure; s'il est à l'extérieur, il détecte la somme de deux vitesses, celle du train et celle de la balle. On peut penser que cette dernière valeur est la bonne, car elle est détectée "à l'arrêt". Mais ce n'est pas vrai, car le sol se déplace également (avec la planète) autour du Soleil.

Monde d'escargot. La vitesse est-elle donc toujours relative? Non, dit Einstein: celle de la lumière est absolue, c'est-à-dire qu'elle ne change pas si elle est mesurée par le train ou si elle est mesurée à partir du sol. D'un autre côté, avec les vitesses d'escargot typiques du monde dans lequel nous vivons, le phénomène n'est pas pertinent pour la vie quotidienne

Relativité générale. Jusqu'à présent, nous n'avons fait allusion qu'à la relativité générale, une construction mathématique complexe qui a nécessité dix années d'études. Avec elle, Einstein avait l'intention de construire un modèle mathématique des lois qui régissent l'univers: en fait, la relativité limitée ne fonctionne bien que dans les zones de l'espace-temps où la gravité n'est pas pertinente, c'est-à-dire où il y a peu de matière. Les résultats obtenus par Einstein constituent un complexe d'équations qui, tout comme un programme informatique, donne des résultats différents selon les données saisies.

C'est pourquoi la relativité générale n'a cessé de fournir de nouvelles informations: ses équations peuvent analyser quelle que soit la situation cosmique conçue ou identifiée. Par exemple, les équations peuvent dire si et dans quelles conditions il est possible qu'un trou noir se forme dans le cosmos et ce qui se passerait dans son environnement.

Cependant, le concept clé de la théorie peut facilement être exprimé par des mots: la gravitation modifie l'espace-temps. En d'autres termes, une concentration de matière plie l'espace (et le temps), comme une boule de bowling plierait un tapis élastique. Les conséquences les plus évidentes? Lorsque l'espace est déformé par la présence d'une étoile, les rayons lumineux suivent la déformation et décrivent une courbe. Le temps, quant à lui, s'écoule plus lentement au voisinage de grandes masses.

Mais pourquoi devrions-nous le croire? Bien qu'Einstein soit parti des faits, sa construction mathématique est parvenue à des conclusions risquées. N'aurait-il pas pu se tromper? Oui, mais jusqu'à présent, personne ne l'a trouvé. En effet, les expériences ont toujours confirmé la théorie. A commencer par celle réalisée par l'astronome britannique Arthur Eddington, qui en 1919 organisa une expédition sur l'île du Prince, au large des côtes africaines, pour vérifier (lors d'une éclipse) si la masse du Soleil courbait vraiment les rayons provenant des étoiles

Monica Colpi, astrophysicienne de l'Université de Milan-Bicocca, raconte dans cette vidéo (voir ci-dessous) éditée par l'Université la valeur de l'intuition d'Einstein Toutes les vitesses ne sont pas relatives ...

La vitesse est une question de point de vue. En fait, en mesurant la vitesse d'un objet (par exemple une balle), il est impossible de prendre en compte sa propre vitesse. Pensez à une balle tirée d'un train en marche: si l'instrument de mesure est sur le train, il détecte une certaine valeur, disons 200 kilomètres à l'heure; s'il est à l'extérieur, il détecte la somme de deux vitesses, celle du train et celle de la balle. On peut penser que cette dernière valeur est la bonne, car elle est détectée "à l'arrêt". Mais ce n'est pas vrai, car le sol se déplace également (avec la planète) autour du Soleil.

Monde d'escargot. La vitesse est-elle donc toujours relative? Non, dit Einstein: celle de la lumière est absolue, c'est-à-dire qu'elle ne change pas si elle est mesurée par le train ou si elle est mesurée à partir du sol. D'un autre côté, avec les vitesses d'escargot typiques du monde dans lequel nous vivons, le phénomène n'est pas pertinent pour la vie quotidienne

Relativité générale. Jusqu'à présent, nous n'avons fait allusion qu'à la relativité générale, une construction mathématique complexe qui a nécessité dix années d'études. Avec elle, Einstein avait l'intention de construire un modèle mathématique des lois qui régissent l'univers: en fait, la relativité limitée ne fonctionne bien que dans les zones de l'espace-temps où la gravité n'est pas pertinente, c'est-à-dire où il y a peu de matière. Les résultats obtenus par Einstein constituent un complexe d'équations qui, tout comme un programme informatique, donne des résultats différents selon les données saisies.

C'est pourquoi la relativité générale n'a cessé de fournir de nouvelles informations: ses équations peuvent analyser quelle que soit la situation cosmique conçue ou identifiée. Par exemple, les équations peuvent dire si et dans quelles conditions il est possible qu'un trou noir se forme dans le cosmos et ce qui se passerait dans son environnement.

Cependant, le concept clé de la théorie peut facilement être exprimé par des mots: la gravitation modifie l'espace-temps. En d'autres termes, une concentration de matière plie l'espace (et le temps), comme une boule de bowling plierait un tapis élastique. Les conséquences les plus évidentes? Lorsque l'espace est déformé par la présence d'une étoile, les rayons lumineux suivent la déformation et décrivent une courbe. Le temps, quant à lui, s'écoule plus lentement au voisinage de grandes masses.

Mais pourquoi devrions-nous le croire? Bien qu'Einstein soit parti des faits, sa construction mathématique est parvenue à des conclusions risquées. N'aurait-il pas pu se tromper? Oui, mais jusqu'à présent, personne ne l'a trouvé. En effet, les expériences ont toujours confirmé la théorie. A commencer par celle réalisée par l'astronome britannique Arthur Eddington, qui en 1919 organisa une expédition sur l'île du Prince, au large des côtes africaines, pour vérifier (lors d'une éclipse) si la masse du Soleil courbait vraiment les rayons provenant des étoiles

Monica Colpi, astrophysicienne de l'Université de Milan-Bicocca, raconte dans cette vidéo (voir ci-dessous) éditée par l'Université la valeur de l'intuition d'Einstein

Articles Connexes