relativité.

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relativité. n.f. PHYSIQUE : théorie physique moderne édifiée en deux étapes par Einstein ;
elle ébranla la physique dans ses fondements les plus solides et remit en question les notions
d'espace et de temps.
À la fin du XIXe siècle, les idées de Newton régnaient encore sur la pensée scientifique
dans le domaine de la mécanique. On admettait alors que tout objet matériel occupait, dans
l'espace, une position absolue pouvant être définie par rapport à un système de référence
présumé fixe. On distinguait son mouvement absolu (par rapport à ce référentiel) de son
mouvement relatif (par rapport à d'autres objets). S'appuyant sur les faits d'expérience et
des considérations théoriques, les physiciens reconnaissaient la validité du théorème de
l'addition des vitesses. Par exemple, un individu marchant à 5 km/h dans un train roulant à
80 km/h possède une vitesse absolue, c'est-à-dire par rapport au sol pris comme référence,
de 85 km/h s'il se déplace dans le même sens que le train et de 75 km/h dans le cas
contraire. Une seule expérience devait détruire ces belles certitudes et révéler que la notion
d'absolu est un mythe en mécanique et que la lumière ne se soumet pas à cette règle
d'additivité des vitesses.
C'est le jeune physicien américain Albert Michelson qui, sans entrevoir la portée de son
expérience, porta en 1881 le coup fatal aux théories newtoniennes. Son intention n'était que
d'étudier l'influence du mouvement de la Terre sur la vitesse de la lumière. La plupart des
physiciens (dont Michelson) pensaient que notre planète flottait au sein d'un vent d'éther,
substance hypothétique censée servir de support aux ondes lumineuses. Il leur paraissait
alors évident que la lumière devait avoir une vitesse de propagation différente selon qu'elle se
déplaçait parallèlement ou perpendiculairement à ce vent. Analysant les résultats de ses
mesures, Michelson ne put que constater que cette vitesse est invariable, quels que soient les
mouvements relatifs de la source et de l'observateur. La révélation était surprenante. C'est
un peu comme si aujourd'hui on découvrait qu'un projectile possède toujours la même
vitesse par rapport au sol, qu'il soit lancé du sol ou d'un avion supersonique. La lumière se
dérobait à la règle d'additivité de la mécanique classique. Pour Michelson, qui s'attendait à
déceler certains écarts, même minimes, cette révélation fut reçue comme un échec, qu'il
attribua au manque de précision des appareils utilisés. Aidé par le physicien Edward William
Morley, il perfectionna son dispositif expérimental et, en 1886, renouvela son expérience.
Même conclusion : la vitesse de propagation de la lumière semblait avoir une valeur
constante. Quelques savants, parmi lesquels Hendrik Lorentz et George Fitzgerald, tentèrent
bien de sauver la théorie de l'éther en faisant l'hypothèse que les corps en mouvement se
contractaient dans le sens de leur vitesse, et que, par conséquent, aucune expérience ne
pourrait jamais mettre en évidence le moindre écart entre les vitesses de la lumière se
propageant dans des directions variables. Les faits contredisant la théorie, les physiciens se
trouvaient pourtant dans l'impasse la plus totale.

La théorie de la relativité restreinte.
En 1905, un physicien de 26 ans, Albert Einstein, mit un terme à cette situation. Publiant un
article qui prendrait, plus tard, le titre de « Théorie de la relativité restreinte », il avança une
explication plus hardie, en fait la plus simple qui soit : le vent d'éther n'existe pas. En
conséquence, la notion d'espace absolu n'a pas de sens, et c'est en vain que l'on
chercherait dans l'Univers un système de référence fixe, pouvant servir à repérer, d'une
façon absolue, la position ou le mouvement d'un corps dans l'espace. Si nous supposons
un observateur animé d'un mouvement rectiligne uniforme (à vitesse constante), seul type
de mouvement envisagé par la relativité restreinte, aucune expérience de physique ne peut
lui rendre sensible son déplacement. Par exemple, s'il est assis dans un train se déplaçant à
vitesse constante, il ne peut se rendre compte de son mouvement qu'en se penchant à la
fenêtre pour observer un objet extérieur tel qu'un poteau télégraphique. Et encore ne
peut-il alors affirmer si c'est le train ou le poteau qui se meut : pour lui, ils sont en
mouvement relatif.
Cette remise en question de la physique classique s'étend également à la notion du
temps, jusqu'alors considéré comme indépendant de l'espace et du mouvement et
s'écoulant irrégulièrement. Einstein rejette la notion de temps cosmique universel : seuls

existent des temps locaux. Nos horloges terrestres indiquent le même temps parce
qu'elles sont solidaires de la Terre et entraînées semblablement dans l'espace. Le temps
subit l'influence du mouvement et ne s'écoule pas de la même façon pour deux horloges
animées de vitesses différentes. En particulier, deux montres mobiles l'une par rapport à
l'autre n'indiqueront pas la même heure. De même, un phénomène n'aura pas la même
durée pour des observateurs se déplaçant à des vitesses et dans des directions différentes.
Mais le mouvement affecte aussi la forme et la masse des objets, qui rétrécissent dans
le sens du déplacement. Ainsi donc, temps, masse et longueur ne sont que des notions
relatives, sensibles aux modifications de vitesse. Ces notions suivent toutes trois un même
type de loi de variation (dite de Lorentz). La valeur des deux premières (temps et masse)
s'accroît lorsque la vitesse de l'objet considéré augmente ; elle tend vers l'infini si cette
vitesse se rapproche de celle de la lumière, limite théoriquement infranchissable. En réalité,
les effets relativistes sont extrêmement faibles et ne peuvent être décelés que pour des
vitesses très élevées, voisines de celle de la lumière. De telles vitesses peuvent être
atteintes par les corpuscules (électrons, protons, etc.), que l'on soumet à de considérables
tensions électriques à l'intérieur des accélérateurs de particules. Pour des vitesses de
250 000 à 295 000 km.s-1 (la vitesse de la lumière dans le vide est de
299 792,5 km .s-1), on a pu vérifier que la masse de ces corpuscules est accrue dans des
proportions tout à fait conformes aux prévisions d'Einstein. D'autres données
expérimentales sont d'ailleurs venues confirmer la théorie de la relativité. Une très
intéressante expérience, réalisée en février 1972, a consisté à placer à bord d'un avion
supersonique une horloge atomique et à lui faire effectuer deux tours du monde en sens
contraire. Comparé à celui d'une horloge de référence, demeurée au sol, le temps indiqué
au terme de chaque voyage différait d'une façon peu sensible (de quelques centaines de
milliardièmes de seconde), mais, chaque fois, suivant la théorie relativiste. On a également
pu mettre en évidence que les muons (particules du rayonnement cosmique) avaient une
durée de vie variable avec la vitesse.
Autre conséquence de la théorie de la relativité restreinte : la masse et l'énergie ne
sont que deux aspects d'une même réalité et donc susceptibles de se convertir l'une dans
l'autre. Cet échange est régi par l'équation bien connue : E = m c 2, où E désigne l'énergie,
m la masse et c2 le carré de la vitesse de la lumière. Là encore, les preuves expérimentales
ne manquent pas : bombe atomique, centrale nucléaire, expériences réalisant la
transformation d'une certaine quantité d'énergie en deux particules matérielles et,
réciproquement, leur annihilation totale.

La théorie de la relativité générale.
Publiée en 1916, la Théorie de la relativité générale constitue une généralisation de la
théorie restreinte, son extension à d'autres types de mouvement que le mouvement
rectiligne uniforme. Elle repose sur un principe fondamental, celui de l'équivalence (sousentendu : entre inertie et gravitation). Ses calculs mathématiques et de longues réflexions
conduisirent Einstein à admettre l'identité de nature entre les forces gravitationnelles et les
forces inertielles. Pour prendre un exemple concret, disons que le même phénomène
intervient dans la chute libre d'un parachutiste (gravitation) et dans la projection en avant
ressentie par un automobiliste lors d'un arrêt brutal (inertie). Jusqu'à Einstein, et depuis
Galilée, cette similitude constatée était tenue pour une extraordinaire coïncidence qui faisait
que des corps de poids différents tombaient avec la même accélération. Einstein démontre
que les deux mots désignent exactement la même chose, traduisent le même type de
mouvement. Pour illustrer sa conception, il imagine la célèbre expérience du passager de
l'ascenseur. Dans un cas, on l'envisage soumis à un mouvement ascensionnel
uniformément accéléré (accélération constante) ; dans l'autre, posé sur notre planète. Ce
qu'on appelle le principe d'équivalence traduit l'impossibilité, pour le passager, de
déterminer s'il s'agit d'un mouvement inertiel (premier cas) ou gravitationnel (second cas).
Aucune vérification expérimentale ne peut aider ce passager, enfermé dans sa boîte, à
distinguer si c'est l'ascenseur qui se déplace par rapport à l'Univers ou le contraire. Devant
cette impossibilité, on ne peut parler que d'un mouvement relatif ascenseur-Univers. Celui-

ci crée un champ de forces qui est dit de gravitation (si l'ascenseur est pris comme
référence) ou d'inertie (avec l'Univers pour référence).
La théorie de la relativité générale contient d'autres réflexions importantes, notamment
celles qui concernent la structure de l'espace et la nature de l'Univers. Elle nous présente un
espace où la géométrie classique (euclidienne) n'est plus valable, dans lequel les lignes
droites sont impossibles. Tout corps matériel créerait autour de lui une sorte de dépression
modifiant les propriétés de l'espace environnant, attirant tout autre corps passant à
proximité et agissant même sur les radiations lumineuses, qu'il dévierait (plusieurs
observations ont permis de vérifier cet effet). Selon Einstein, la répartition des masses
matérielles au sein de l'Univers conférerait une certaine courbure à l'espace, et c'est cette
courbure qui serait à l'origine du champ de gravitation universel et des forces
gravitationnelles.
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relativité
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relativité, page 4292, volume 8