Théorie de la relativité

(Projection bidimensionnelle d’une analogie tridimensionnelle de la courbure de l’espace-temps décrite en relativité générale.

La théorie de la relativité englobe généralement deux théories interdépendantes d’Albert Einstein: la relativité restreinte et la relativité générale. La relativité restreinte s’applique à tous les phénomènes physiques en l’absence de gravité. La relativité générale explique la loi de la gravitation et sa relation avec d’autres forces de la nature. Cela s’applique au domaine cosmologique et astrophysique, y compris l’astronomie.

La théorie a transformé la physique théorique et l’astronomie au cours du 20e siècle, remplaçant une théorie de la mécanique vieille de 200 ans créée principalement par Isaac Newton. Il a introduit des concepts tels que l’espace-temps en tant qu’entité unifiée d’espace et de temps, la relativité de la simultanéité, la dilatation cinématique et gravitationnelle du temps et la contraction de la longueur. Dans le domaine de la physique, la relativité a amélioré la science des particules élémentaires et de leurs interactions fondamentales, tout en inaugurant l’ère nucléaire. Avec la relativité, la cosmologie et l’astrophysique ont prédit des phénomènes astronomiques extraordinaires tels que les étoiles à neutrons, les trous noirs et les ondes gravitationnelles.

Développement et acceptation

Albert Einstein a publié la théorie de la relativité restreinte en 1905, en s’appuyant sur de nombreux résultats théoriques et découvertes empiriques obtenus par Albert A. Michelson, Hendrik Lorentz, Henri Poincaré et d’autres. Max Planck, Hermann Minkowski et d’autres ont fait des travaux ultérieurs.

Einstein a développé la relativité générale entre 1907 et 1915, avec des contributions de beaucoup d’autres après 1915. La forme finale de la relativité générale a été publiée en 1916.

Le terme « théorie de la relativité » était basé sur l’expression « théorie relative » (en allemand: Relativtheorie) utilisée en 1906 par Planck, qui soulignait comment la théorie utilise le principe de relativité. Dans la section discussion du même article, Alfred Bucherer a utilisé pour la première fois l’expression « théorie de la relativité » (en allemand: Relativitätstheorie).

Dans les années 1920, la communauté de la physique comprenait et acceptait la relativité restreinte. Il est rapidement devenu un outil important et nécessaire pour les théoriciens et les expérimentateurs dans les nouveaux domaines de la physique atomique, de la physique nucléaire et de la mécanique quantique.

En comparaison, la relativité générale ne semble pas être aussi utile, au-delà de quelques corrections mineures aux prédictions de la théorie de la gravitation newtonienne. Il semblait offrir peu de potentiel de test expérimental, car la plupart de ses affirmations étaient à l’échelle astronomique. Ses mathématiques ne semblaient difficiles et pleinement compréhensibles que par un petit nombre de personnes. Vers 1960, la relativité générale est devenue centrale en physique et en astronomie. De nouvelles techniques mathématiques à appliquer à la relativité générale ont rationalisé les calculs et rendu ses concepts plus faciles à visualiser. Au fur et à mesure que des phénomènes astronomiques ont été découverts, tels que les quasars (1963), le rayonnement de fond micro-ondes à 3 kelvin (1965), les pulsars (1967) et les premiers candidats de trou noir (1981), la théorie a expliqué leurs attributs et leur mesure plus approfondie a confirmé la théorie.

Relativité restreinte

La relativité restreinte est une théorie de la structure de l’espace-temps. Il a été introduit dans l’article d’Einstein de 1905 « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement ». La relativité restreinte repose sur deux postulats contradictoires en mécanique classique:

1. Les lois de la physique sont les mêmes pour tous les observateurs dans tout référentiel inertiel les uns par rapport aux autres (principe de relativité).
2. La vitesse de la lumière dans le vide est la même pour tous les observateurs, quel que soit leur mouvement relatif ou le mouvement de la source lumineuse.

La théorie qui en résulte résiste mieux à l’expérience que la mécanique classique. Par exemple, le postulat 2 explique les résultats de l’expérience de Michelson – Morley. De plus, la théorie a de nombreuses conséquences surprenantes et contre-intuitives. Certains d’entre eux sont:

• Relativité de la simultanéité: Deux événements, simultanés pour un observateur, peuvent ne pas être simultanés pour un autre observateur si les observateurs sont en mouvement relatif.
• Dilatation du temps: les horloges en mouvement sont mesurées pour tourner plus lentement que l’horloge « stationnaire » d’un observateur.
• Contraction de longueur: les objets sont mesurés pour être raccourcis dans la direction dans laquelle ils se déplacent par rapport à l’observateur.
• La vitesse maximale est finie: aucun objet physique, message ou ligne de champ ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide.
• L’effet de la gravité ne peut traverser l’espace qu’à la vitesse de la lumière, pas plus vite ni instantanément.
• Équivalence masse-énergie: E = mc², l’énergie et la masse sont équivalentes et transmuables.
• Masse relativiste, idée utilisée par certains chercheurs.

La caractéristique déterminante de la relativité restreinte est le remplacement des transformations galiléennes de la mécanique classique par les transformations de Lorentz.

Relativité générale

La relativité générale est une théorie de la gravitation développée par Einstein dans les années 1907-1915. Le développement de la relativité générale a commencé avec le principe d’équivalence, selon lequel les états de mouvement accéléré et d’être au repos dans un champ gravitationnel (par exemple, en se tenant à la surface de la Terre) sont physiquement identiques. Le résultat est que la chute libre est un mouvement d’inertie: un objet en chute libre tombe parce que c’est ainsi que les objets se déplacent lorsqu’aucune force n’est exercée sur eux, au lieu que cela soit dû à la force de gravité comme c’est le cas dans mécanique classique. Ceci est incompatible avec la mécanique classique et la relativité restreinte car dans ces théories, les objets en mouvement inertiel ne peuvent pas accélérer les uns par rapport aux autres, mais les objets en chute libre le font. Pour résoudre cette difficulté, Einstein a d’abord proposé que l’espace-temps soit courbe. En 1915, il a conçu les équations de champ d’Einstein qui relient la courbure de l’espace-temps à la masse, à l’énergie et n’importe quel quantité de mouvement .

Certaines des conséquences de la relativité générale sont:

• Dilatation gravitationnelle du temps: les horloges fonctionnent plus lentement dans les puits gravitationnels plus profonds.
• Précession: les orbites précèdent d’une manière inattendue dans la théorie de la gravité de Newton. (Cela a été observé dans l’orbite de Mercure et dans les pulsars binaires).
• Déviation de la lumière: les rayons de lumière se courbent en présence d’un champ gravitationnel.
• Glissement d’image: les masses en rotation « font glisser » l’espace-temps autour d’elles.
• Expansion métrique de l’espace: l’univers est en expansion, et ses parties éloignées s’éloignent de nous plus vite que la vitesse de la lumière.

Techniquement, la relativité générale est une théorie de la gravitation dont la caractéristique déterminante est son utilisation des équations du champ d’Einstein. Les solutions des équations de champ sont des tenseurs métriques qui définissent la topologie de l’espace-temps et comment les objets se déplacent par inertie.