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RELATIVITÉ GÉNÉRALE ET RESTREINTE


Rédigé le Mercredi 14 Janvier 2015 à 10:18 | Lu 46 commentaire(s)



RELATIVITÉ GÉNÉRALE

La relativité générale est d'abord une généralisation aux référentiels accélérés des principes de la théorie de la relativité restreinte.

Elle apporte cependant de plus une nouvelle conception de l'espace et du temps, dans laquelle la gravitation devient une propriété géométrique de l'espace-temps (qui possède une structure d'espace riemannien). En d'autres termes, la géométrie de l'espace-temps dépend de la distribution des masses et, du fait de l'équivalence masse-énergie, des flux d'énergie.

Les premières tests expérimentaux de la relativité générale datent du début des années 1920 (courbure des rayons lumineux par un champ de gravitation testée près du Soleil, précession du périhélie de Mercure), mais la théorie a passé aujourd'hui de nombreux autres tests avec succès, l'un des plus précis étant la preuve de l'existence des ondes gravitationnelles (prévues par la relativité générale) grâce à l'observation minutieuse de l'évolution d'un pulsar binaire par Taylor et Hulse (Prix Nobel 1993).

Parmi les conséquences les plus célèbres de la relativité générale, on peut citer l'existence des trous noirs (cf les travaux de Schwarzschild) l'expansion de l'Univers, etc, l'application de cette théorie à l'astrophysique et à la cosmologie s'étant avérée particulièrement fructueuse.


RELATIVITÉ RESTREINTE

 
 

La théorie de la relativité restreinte a été énoncée par Einstein (1905) et explique de manière simple des idées ou résultats qui existaient déjà dans les travaux antérieurs de divers autres scientifiques : Fitzgerald (contraction des longueurs), Lorentz (contraction des longueurs, dilatation temporelle, transformations de Lorentz, etc), Poincaré (variation de l'inertie avec la vitesse, structure de groupe des transformations de Lorentz, etc), Michelson et Morley (expérience d'i nterférométrie démontrant l'invariance de la vitesse de la lumière). Mais alors que certains accusent parfois Einstein de n'avoir été qu'un vulgaire plagiaire, il est indéniable qu'il eut le mérite d'être le premier à proposer une théorie claire et précise permettant de rendre compte de ces résultats disparates de manière unifiée, tout en la faisant avant tout reposer sur des observations expérimentales et en prédisant de nouveaux effets alors inconnus.

Contrairement à ses prédécesseurs qui cherchaient des explications physiques complexes à leurs divers résultats, Einstein alla en effet plus loin en remontant aux principes de base de la physique newtonienne. Ainsi, l'un des grands piliers de la relativité restreinte est la remise en cause des notions de simultanéité et d'espace absolus, ce qui renie au passage l'existence d'un référentiel privilégié (rendant donc caduque l'hypothèse de l'existence de l'éther). A partir de ce rejet de certains postulats considérés jusque là comme évidents, la théorie d'Einstein élargit le principe de relativité de Galilée en postulant l'équivalence de tous les référentiels inertiels (référentiels aussi dits "galiléens" ou "lorentziens") non seulement pour la formulation des lois de la mécanique, mais de manière générale pour toutes les lois de la physique, l'électromagnétisme inclus. Cet énoncé est donc en accord avec l'expérience de Michelson et Morley puisque l'invariance des lois de l'électromagnétisme (équations de Maxwell) implique celle de la célérité de la lumière, qui est supposée avoir par principe une valeur finie et identique dans tous les référentiels.

Les conséquences de la théorie de la relativité restreinte sont nombreuses, et l'on peut citer parmi les plus célèbres et immédiates : l'impossibilité d'interactions instantanées à distance, l'équivalence masse-énergie (qui est souvent traduite par la célèbre formule d'Einstein E=mc²), l'impossibilité pour une particule matérielle d'atteindre ou dépasser la vitesse de la lumière et l'existence de l'antimatière (résultat qui repose aussi sur la physique quantique). Les vérifications expérimentales de la théorie de la relativité restreinte sont très nombreuses et désormais quotidiennes, par exemple dans les accélérateur de particules ou même les hôpitaux puisque la tomographie par émission de positrons utilise de l'antimatière.

Par ailleurs, il est important de souligner que par rapport à sa première formulation par Einstein, la relativité restreinte a très rapidement évolué. Le formalisme actuel (qu'Einstein utilisa pour formuler la relativité générale) s'appuie en effet sur la notion d'espace-temps à quatre dimensions, dans lequel le temps et l'espace ne peuvent être appréhendés de manière indépendante, contrairement à ce qui se passe en physique newtonienne. Cette formulation est due à un ancien professeur d'Einstein, Hermann Minkowski qui a donné son nom à l'espace-temps de la relativité restreinte. Avec cette nouvelle approche, la notion de distance spatio-temporelle invariante prend toute son importance, recalant les transformations de Lorentz et la propagation de la lumière à des rôles secondaires pour la théorie.




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