La relativité restreinte, ou plus précisément la théorie de la relativité restreinte, a été proposée par Albert Einstein en 1905. La dynamique acceptée à cette époque était la mécanique newtonienne. La théorie de la relativité restreinte a permis d’expliquer certaines observations qui ne pouvaient pas être décrites en utilisant la mécanique classique.
Qu’est-ce que la relativité restreinte ?
La théorie restreinte ou théorie spéciale de la relativité a été formulée par Einstein vers 1905, dans une tentative d’expliquer les contradictions liées à la physique classique. Elle s’applique aux systèmes qui se déplacent dans un mouvement rectiligne uniforme. Plus tard, elle a été étendue, par la théorie de la relativité générale, aux systèmes en mouvement quelconque.
La théorie de la relativité restreinte traite donc des phénomènes qui se produisent dans des référentiels inertiels et repose essentiellement sur deux postulats fondamentaux. Le premier postulat, ou principe de relativité, établit que les lois de la physique sont les mêmes dans tous les systèmes de référence inertiels et représente en substance une extension à toutes les lois du principe de relativité de Galilée. Cela signifie que les résultats de toute expérience doivent être les mêmes pour tout cadre de référence se déplaçant dans un mouvement rectiligne uniforme.
Le second postulat, connu sous le nom de principe de constance de la vitesse de la lumière, énonce que la lumière se propage dans le vide avec une vitesse finie, quelle que soit la vitesse de la source qui l’a émise. Cette deuxième affirmation, bien que largement acceptée aujourd’hui, semble contredire l’expérience quotidienne, qui semble impliquer qu’un objet se déplaçant vers un observateur a une vitesse plus grande si en même temps l’observateur se déplace dans la direction de l’objet,
Les deux postulats d’Einstein, indémontrables mais confirmés par de nombreuses données expérimentales, ont profondément modifié les notions d’espace et de temps, qui ne peuvent plus être considérées comme absolues.
Les origines de la relativité restreinte
Au début du 20ème siècle, la physique était une science qui semblait avoir des bases solides : la mécanique avait été établie par Isaac Newton dans ses Principia il y a plus de 200 ans. Les bases de la thermodynamique avaient été établies tout au long du 19ème siècle, alors que l’électromagnétisme était décrit par les équations que James Clerk Maxwell avait publiées en 1873 dans son ouvrage Treaty on Electricity and Magnetism.
Il y avait cependant un certain nombre de désaccords entre les physiciens sur certains aspects de ces théories. L’une d’elles était l’existence d’un milieu qui remplissait tout l’espace. Toutes les tentatives pour détecter ce milieu, appelé éther, avaient été vaines. La plus célèbre est peut-être l’expérience de Michelson-Morley.
Dans cette expérience, le temps nécessaire à la lumière pour parcourir une distance dans une direction parallèle au mouvement de la Terre a été comparé au temps nécessaire pour parcourir la même distance dans une direction perpendiculaire au mouvement de la Terre. Si l’éther existait, ces temps devraient être différents puisque la lumière se déplacerait à une vitesse différente dans chaque cas.
Pour Einstein, tout cela indique que ni les phénomènes électromagnétiques ni les phénomènes mécaniques ne soutiennent l’idée d’un repos absolu, mais suggèrent plutôt que les lois de l’électromagnétisme et de l’optique sont valables pour tous les systèmes de référence dans lesquels les équations de la mécanique sont vérifiées.
De la relativité restreinte à la relativité générale
En 1905, Einstein publie la première de deux études importantes sur la théorie de la relativité, L’électrodynamique des corps en mouvement, dans laquelle il nie l’existence du mouvement absolu. En fait, Einstein soutenait qu’aucun objet de l’univers ne pouvait représenter un système de référence fixe absolu et universel par rapport au reste de l’espace. De plus, n’importe quel corps pourrait être considéré comme un bon système de référence pour l’étude des lois sur le mouvement des corps. Pour Einstein, le mouvement était un concept relatif, qui pouvait être décrit dans n’importe quel référentiel inertiel.
En 1915, Einstein formule la théorie de la relativité générale, également valable pour les systèmes en mouvement accéléré les uns par rapport aux autres. La nécessité de cette théorie a été donnée par le contraste apparent entre les lois de la relativité et la loi de la gravitation. Pour résoudre ces conflits, Einstein a développé une nouvelle approche du concept de gravité, basée sur le principe d’équivalence. Dans la nouvelle formulation, les forces associées à la gravité sont équivalentes à celles produites par l’accélération. Il est donc théoriquement impossible de distinguer les deux types de forces.
L’analogie entre les deux relativités est évidente : la théorie de la relativité restreinte établissait qu’une personne, à l’intérieur d’une voiture à vitesse constante sur une route lisse, ne pouvait en aucun cas savoir si elle était au repos ou en mouvement rectiligne uniforme. La théorie générale de la relativité affirmait qu’une personne, à l’intérieur de la machine en mouvement accéléré, ralenti ou curviligne, ne pouvait pas établir si les forces qui déterminaient le mouvement étaient d’origine gravitationnelle ou s’il s’agissait de forces accélératrices activées par d’autres mécanismes.