Lorsque la théorie de la relativité est apparue au début des années 1900, elle a bouleversé des siècles de science et a donné aux physiciens une nouvelle compréhension de l’espace et du temps. Isaac Newton voyait l’espace et le temps comme fixes, mais dans la nouvelle image fournie par la relativité restreinte et la relativité générale, ils étaient fluides et malléables.

Qui a proposé la théorie de la relativité ?

Albert Einstein. Il a publié la première partie de sa théorie – la relativité restreinte – dans la revue allemande de physique Annalen der Physik en 1905 et n’a achevé sa théorie de la relativité générale qu’après une autre décennie de travail difficile. Il a présenté cette dernière théorie dans une série de conférences à Berlin à la fin de 1915 et l’a publiée dans les Annalen en 1916.

Qu’est-ce que la relativité restreinte ?

La théorie est basée sur deux concepts clés.

• Premièrement, le monde naturel ne permet aucun cadre de référence « privilégié ». Tant qu’un objet se déplace en ligne droite à une vitesse constante (c’est-à-dire sans accélération), les lois de la physique sont les mêmes pour tous. C’est un peu comme lorsque vous regardez par la fenêtre d’un train et que vous voyez un train adjacent qui semble se déplacer – mais est-ce lui qui se déplace, ou bien vous ? Il est parfois difficile de le savoir. Einstein a reconnu que si le mouvement est parfaitement uniforme, il est littéralement impossible de le dire – et a identifié cela comme un principe central de la physique.
• D’autre part, la lumière voyage à une vitesse invariable de 186 000 miles par seconde. Quelle que soit la vitesse à laquelle un observateur se déplace ou la vitesse à laquelle un objet émettant de la lumière se déplace, une mesure de la vitesse de la lumière donne toujours le même résultat.

En partant de ces deux postulats, Einstein a montré que l’espace et le temps sont entrelacés d’une manière que les scientifiques n’avaient jamais réalisée auparavant. Grâce à une série d’expériences de pensée, Einstein a démontré que les conséquences de la relativité restreinte sont souvent contre-intuitives – voire surprenantes.

Si vous zoomez dans une fusée et que vous croisez un ami dans une fusée identique mais plus lente, par exemple, vous verrez que la montre de votre ami fait tic-tac plus lentement que la vôtre (les physiciens appellent cela « dilatation du temps »).

De plus, la fusée de votre ami semblera plus courte que la vôtre. Si votre fusée accélère, votre masse et celle de la fusée augmenteront. Plus tu vas vite, plus les choses deviennent lourdes et plus ta fusée résistera à tes efforts pour la faire aller plus vite. Einstein a montré que rien de ce qui a une masse ne peut jamais atteindre la vitesse de la lumière.

Une autre conséquence de la relativité restreinte est que la matière et l’énergie sont interchangeables via la célèbre équation E = mc² (dans laquelle E représente l’énergie, m la masse et c² la vitesse de la lumière multipliée par elle-même). La vitesse de la lumière étant un nombre très élevé, même une quantité minuscule de masse est équivalente à une très grande quantité d’énergie et peut être convertie en celle-ci. C’est pourquoi les bombes atomiques et à hydrogène sont si puissantes.

Qu’est-ce que la relativité générale ?

Essentiellement, c’est une théorie de la gravité. L’idée de base est qu’au lieu d’être une force invisible qui attire les objets les uns vers les autres, la gravité est une courbure ou une déformation de l’espace. Plus un objet est massif, plus il déforme l’espace qui l’entoure.

Par exemple, le soleil est suffisamment massif pour déformer l’espace à travers notre système solaire – un peu comme la façon dont une balle lourde reposant sur une feuille de caoutchouc déforme la feuille. En conséquence, la Terre et les autres planètes se déplacent dans des trajectoires courbes (orbites) autour de lui.

Cette déformation affecte également les mesures du temps. Nous avons tendance à penser que le temps s’écoule à un rythme régulier. Mais tout comme la gravité peut étirer ou déformer l’espace, elle peut aussi dilater le temps. Si votre ami grimpe au sommet d’une montagne, vous verrez son horloge tourner plus vite que la vôtre ; un autre ami, au fond d’une vallée, verra son horloge tourner plus lentement, en raison de la différence de force de gravité à chaque endroit. Des expériences ultérieures ont prouvé que cela se produit effectivement.

À quoi ressemble la relativité « sous le capot » ?’

La relativité restreinte est finalement un ensemble d’équations qui relient la façon dont les choses se présentent dans un cadre de référence à la façon dont elles se présentent dans un autre – l’étirement du temps et de l’espace, et l’augmentation de la masse. Ces équations n’impliquent rien de plus compliqué que des mathématiques de lycée.

La relativité générale est plus compliquée. Ses « équations de champ » décrivent la relation entre la masse et la courbure de l’espace et la dilatation du temps, et sont généralement enseignées dans les cours de physique universitaires de niveau supérieur.

Tests de la relativité restreinte et générale

Au cours du siècle dernier, de nombreuses expériences ont confirmé la validité de la relativité restreinte et générale. Dans le premier test majeur de la relativité générale, des astronomes ont mesuré en 1919 la déviation de la lumière d’étoiles lointaines lorsque celle-ci passait devant notre soleil, prouvant ainsi que la gravité déforme ou courbe effectivement l’espace.

En 1971, des scientifiques ont testé les deux parties de la théorie d’Einstein en plaçant des horloges atomiques synchronisées avec précision dans des avions de ligne et en les faisant voler autour du monde. Une vérification des horloges après l’atterrissage des avions a montré que les horloges à bord des avions de ligne fonctionnaient un tout petit peu plus lentement (moins d’un millionième de seconde) que les horloges au sol.

La disparité résultait de la vitesse des avions (un effet de relativité spéciale) et de leur plus grande distance du centre du champ gravitationnel de la Terre (un effet de relativité générale).

En 2016, la découverte des ondes gravitationnelles – de subtiles ondulations dans le tissu de l’espace-temps – a été une autre confirmation de la relativité générale.

La relativité en pratique

Bien que les idées derrière la relativité semblent ésotériques, la théorie a eu un impact énorme sur le monde moderne.

Les centrales nucléaires et les armes nucléaires, par exemple, seraient impossibles sans la connaissance que la matière peut être transformée en énergie. Et notre réseau de satellites GPS (système de positionnement global) doit tenir compte des effets subtils de la relativité restreinte et de la relativité générale ; s’ils ne le faisaient pas, ils donneraient des résultats décalés de plusieurs kilomètres.

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