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RELATIVITÉS


I - Introduction : l'espace et le temps

Dans la vie courante, espace et temps sont considérés comme de simples contenants où se placent les événements de l'existence : tout déplacement, toute déformation, toute interaction, tout changement en général est décrit dans ces deux entités. Jusque là, rien d'étonnant, rien d'inquiétant, on a l'habitude ... Et pourtant ... Depuis le début de l'histoire de l'humanité sans doute, espace et temps nous posent une question qui reste irrésolue : que sont-ils ? On peut aller plus loin : à supposer qu'un humain soit un jour capable de formuler une définition de l'espace ou du temps, cette définition coinciderait-elle avec celle choisie par un autre humain ? Pourquoi, par exemple, les instants, les durées et les longueurs qu'il mesurerait sur un événement précis devraient-elles être les mêmes que celles mesurées par tout être conscient ? Existerait-t-il un principe qui imposerait cette universalité ? Ces questions sont profondes et, heureusement, il est possible de vivre sa vie de tous les jours sans avoir leurs réponses, si on n'est pas trop curieux. Mais nous sommes là pour savoir ... Ce sont parfois des expériences anodines qui amènent à se poser les questions les plus vastes. En voici un exemple, peut-être le plus fameux :

Le seau de Newton

La question que se pose Isaac Newton, et après lui Ernst Mach, Albert Einstein, etc. est : par rapport à quoi l'eau tourne-t-elle ? Pourquoi monte-t-elle sur les parois du seau ? Se comporterait-elle de la même façon si on faisait l'expérience dans l'espace, loin de la Terre, loin de toute masse ? Et dans un univers vide ?

 

II - Relativité / Invariance

En 1905, un obscur physicien allemand nommé Albert Einstein est établi en Suisse. Ce n'est pas du tout un amateur, même s'il n'exerce pas dans une université : ses études supérieures achevées, il publie assez régulièrement dans les fort renommées Annalen der Physik. Mais cette année là, il sidère le monde de la physique avec quatre publications impressionnantes, proposant de nouvelles approches de concepts fondamentaux :

Comme si cela n'était pas assez, en 1906 est publiée sa thèse où il expose la mesure de la taille des molécules et du nombre d'Avogadro. Ces cinq articles fondateurs feront immédiatement de lui un scientifique de renom. Au point que bien plus tard, en 2005, on décidera d'une Année de la Physique qui permettra de commémorer le centenaire de cette Annus Mirabilis (2) (merveilleuse année) 1905/1906 ...

Pour consulter les articles originaux de 1905, voir http://users.physik.fu-berlin.de/~kleinert/files/

Pour le public, Einstein est exclusivement l'homme qui a inventé la Théorie de la Relativité. Mais lui-même n'était pas très satisfait de cette étiquette. Ce qui avait motivé ses recherches, et allait inspirer l'ensemble de son œuvre, c'était une quête d'universalité de la formulation des lois de la physique, ce qu'on appelle l'invariance de ces lois par changement d'observateur. Comment ne pas le comprendre : il serait illogique (et Einstein était pénétré par la logique, au point que des physiciens de renom comme Planck lui ont parfois reproché d'oublier le monde réel !) que l'énoncé de ces lois, universelles par nature, dépende de l'observateur considéré. Et pour parvenir à cette invariance fondamentale, Einstein s'est aperçu que certaines grandeurs courantes (distances, durées, etc.) devaient, elles, dépendre de l'observateur, être "relatives" à l'observateur. Ces grandeurs courantes "parlaient" mieux au public que les lois fondamentales, et la théorie était vraiment très dérangeante pour les physiciens contemporains, qui la maîtrisaient parfois difficilement. Alors la rumeur et son support journalistique, la communauté des physiciens aussi, choisirent "Théorie de la Relativité" plutôt que "Théorie de l'Invariance" ...

Mais revenons d'abord aux origines ...

 

III - Galilée et Newton

 
Galilée, le premier, disserte sur le relativité du mouvement et l'universalité des lois du mouvement non-accéléré.
 
Par exemple, il décrit l'expérience de pensée que présente la petite vidéo ci-contre. Un bateau à voile flotte sur une mer d'huile, et on lâche une boule pesante du sommet de son mât. Quelle est la trajectoire de la boule pendant sa chute ? Ou, plus précisément, quelle est la trajectoire de la boule, vue par un observateur donné ? Est-elle absolue, c'est à dire la même pour tout observateur, ou relative, c'est à dire particulière à chaque observateur, ou peut-être à chaque classe d'observateurs ?
 

Galilée réfléchira beaucoup, mais aura également une démarche expérimentale irréprochable : il fera beaucoup d'expériences réelles afin de vérifier la qualité de ses déductions. Il sera le premier physicien à ne pas s'arrêter au sens commun, aux justifications du style tout le monde sait bien que, et aura trois siècles plus tard un successeur remarquable dans cette voie : un certain Albert Einstein ...
Voici donc les expériences réalisées par Galilée avec son bateau naviguant quelque part sur une Méditerranée idéalement calme, ou quelque grand lac italien, romantique et paisible :

Le film nous montre, successivement, ces trois expériences enregistrées par la caméra tenue à la main par Monsieur B.

 

IV - Einstein et la Relativité Restreinte

     

 

V - Einstein et la Relativité Générale

     

 

VI - Après Einstein

     




Notes & compléments

Note 1 : Complétée dix ans plus tard par la Relativité Générale, et on reste surpris par le fait qu'Einstein n'ai pas obtenu un autre prix Nobel pour cette immense découverte qui sous-tend la physique moderne depuis plus d'un siècle.
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Note 2 : Expression reprise de celle qui est traditionnellement employée en référence à l'année 1666 où Isaac Newton, réfugié dans son hameau natal pour fuir la peste qui ravageait Londres, réalisa plusieurs avancées majeures en physique et mathématiques.
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Séléniens qui ont apporté leur concours à la création de cet article :

Gilles Adam.

Mise à jour du 4 janvier 2017