Qu'est-ce que la théorie de la relativité ?

Avant la naissance de la théorie de la relativité, on pensait que la lumière, étant une onde, avait besoin d'un milieu pour se propager, appelé l'éther. De plus, la théorie décrivant les phénomènes lumineux semblait prendre une forme différente si l'on considérait que les observateurs se déplaçaient à une certaine vitesse par rapport à l'éther. En 1887, les physiciens américains Albert Michelson et Edward Morley menèrent une expérience pour mesurer la vitesse du mouvement de la Terre par rapport à l'éther. Le résultat indiqua que la lumière se propageait à la même vitesse dans toutes les directions à la surface de la Terre, ce qui remettait en question l'existence même de l'éther. Cette expérience déconcerta la communauté scientifique jusqu'à ce qu'Einstein élabore en 1905 la théorie de la relativité restreinte , fondée sur deux postulats concernant l'invariance des lois physiques, c'est-à-dire la façon dont la nature est décrite de manière similaire, quel que soit l'observateur.

Le premier postulat ou principe de relativité établit que les lois de la physique (hors gravitation pour le moment) sont les mêmes que celles observées par les observateurs inertiels, c'est-à-dire se déplaçant à vitesse relative constante. Bien que la validité des lois de Newton pour différents observateurs de ce type soit connue, si la lumière avait besoin d'un milieu pour se propager, cet éther pourrait être considéré comme un système de référence absolu, et les phénomènes lumineux pourraient nous permettre de déterminer la vitesse de propagation d'un observateur inertiel par rapport à l'éther.

Réfléchissant au fait que l'éther était devenu inutile, Einstein conclut que les lois de l'électromagnétisme (qui décrivent la lumière) doivent également s'appliquer à tous les observateurs. De plus, le deuxième postulat stipule que la vitesse de la lumière dans le vide est la même que celle mesurée par tout observateur inertiel. Cela implique qu'il est impossible pour un observateur inertiel de se déplacer à cette vitesse. Si un vaisseau spatial se déplaçait à la vitesse de la lumière par rapport à un autre observateur et émettait une impulsion lumineuse avec un laser dans la même direction, cet observateur verrait que le vaisseau spatial et la lumière restent au même endroit, se déplaçant à la même vitesse, mais depuis le vaisseau spatial, il verrait que la lumière s'éloigne de lui, ce qui est une contradiction.

La combinaison de ces postulats conduit à des résultats contre-intuitifs. Deux événements simultanés pour un observateur ne le sont pas pour un autre observateur se déplaçant par rapport à lui, car le temps écoulé entre les événements se dilate lorsqu'un observateur se déplace par rapport à un autre observateur pour qui ils se produisent au même endroit, tandis que la longueur des objets se contracte lorsqu'un observateur se déplace par rapport à l'objet. Évidemment, ces effets sont négligeables lorsque les vitesses impliquées sont bien inférieures à la vitesse de propagation de la lumière, mais ils bouleversent radicalement notre compréhension de l'espace et du temps. Bien que les intervalles spatiaux et temporels puissent avoir des valeurs différentes selon la personne qui les mesure, on peut définir un intervalle d'espace-temps identique pour tous les observateurs. La physique se déroule dans l'espace-temps que nous définissons à travers ces intervalles, ce qui a de profondes implications.

Mais toute la physique se déroule-t-elle dans l'espace-temps ? La théorie de la relativité restreinte n'était pas compatible avec la description newtonienne de la gravité. Le grand saut conceptuel de la théorie de la relativité générale , formulée par Einstein en 1915 , a consisté à comprendre que la gravité n'est pas un phénomène médiatisé par une autre force contenue dans l'espace-temps, mais est due précisément à la courbure de l'espace-temps produite par les masses qu'il contient. L'espace-temps est promu d'une structure inerte dans laquelle la physique se produit à une grandeur physique en soi.

Les principes qui sous-tendent la théorie de la relativité générale sont le principe général de covariance et le principe d'équivalence. Le premier généralise le principe de relativité, car il considère l'équivalence des lois de la physique pour tous les observateurs et en présence de gravité. Le principe d'équivalence, introduit en physique newtonienne, établit l'équivalence entre la masse inertielle, qui mesure la résistance d'un objet à une variation de son mouvement, et la masse gravitationnelle, qui décrit la façon dont un corps subit le champ gravitationnel. Cette relation résulte de l'universalité de la chute libre, c'est-à-dire que tous les corps accélèrent de la même manière en présence de gravité et en l'absence d'autres forces.

Cependant, Einstein est allé plus loin en considérant que la physique dans un laboratoire uniformément accéléré en l'absence de gravité devrait être la même que celle d'un autre laboratoire immergé dans un champ gravitationnel uniforme. Suite à cette réflexion, on peut tenter de comprendre les phénomènes gravitationnels en termes de quantités utilisées pour décrire le mouvement dans l'espace, ce qui suggère une compréhension de la gravité comme un phénomène géométrique.

Le principe d'équivalence dans le cadre relativiste comporte plusieurs formulations. Le principe d'équivalence dit einsteinien stipule que les phénomènes physiques non gravitationnels (et ceux dont les effets sur l'espace-temps sont négligeables) ne sont pas affectés, dans une petite région de l'espace et en aucun point de celle-ci, par la présence d'un champ gravitationnel.

Cela implique qu'en tout point de l'espace et à tout moment, dans une région suffisamment petite, la description de la nature donnée par la relativité restreinte peut être retrouvée. Ainsi, la théorie de la relativité générale généralise la théorie de la relativité restreinte en présence de gravité.

Prado Martín Moruno est titulaire d'un doctorat en physique, chercheur et professeur au Département de physique théorique de l' Université Complutense de Madrid .

Coordination et rédaction : Victoria Toro .

Question posée par José Ortega Carrascal .

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