La relativité restreinte

Einstein
Albert Einstein : Ulm, 1879 – Princeton, 1955

L’espace absolu

Jusqu’au début du XXe siècle, la perception que les physiciens avaient de l’espace et du temps était basée sur celle d’Isaac Newton. Il devait exister un espace absolu, rigide et immuable, un cadre de référence par rapport auquel on pouvait définir de façon absolue le mouvement d’un corps. Il devait également exister un temps absolu et universel, s’écoulant de façon uniforme et indépendant de toute influence extérieure.

Au XIXe siècle, avec les progrès dans la compréhension de l’électromagnétisme, un autre concept lié aux précédents fit son apparition. Il s’agissait de l’éther, une sorte de milieu immatériel qui était supposé servir de support à la propagation des ondes lumineuses et qui devait être fixe dans l’espace absolu. La question qui intéressait alors les physiciens était de savoir si la Terre était au repos ou en mouvement par rapport à l’éther et à l’espace absolu.

L’aberration

Une première réponse fut apportée par l’observation d’un phénomène appelé l’aberration. Observée depuis la Terre, toute étoile semble parcourir chaque année une petite ellipse dans le ciel, ceci indépendamment de la parallaxe. Cette variation fut interprétée par l’astronome anglais James Bradley en 1729 comme le résultat du mouvement de la Terre sur son orbite combiné au fait que la vitesse de la lumière est finie.

Un phénomène analogue se produit lorsque vous vous déplacez sous la pluie. En supposant qu’il n’y a pas de vent, la pluie tombe verticalement. C’est bien ce que vous observez si vous restez immobile. Mais ce n’est plus le cas si vous vous mettez à courir. Bien que la pluie continue à tomber verticalement, la vitesse vous donne l’impression que la pluie tombe en biais, un effet d’autant plus marqué que vous vous déplacez vite.

Le phénomène est le même pour la Terre. Du fait de la vitesse de déplacement de notre planète autour de Soleil, la direction apparente des rayons lumineux est légèrement deviée. Comme le mouvement de révolution de la Terre est périodique, ces variations le sont également. Ainsi la position apparente d’une étoile, qui dépend de la direction de propagation de la lumière, parcourt une petite ellipse en une année.

Cette interprétation repose clairement sur l’hypothèse que la Terre se déplace. Pour les physiciens de la fin du siècle dernier, le fait que l’aberration ait été observée prouvait donc que la Terre devait être en mouvement par rapport à l’éther, le présumé support des ondes lumineuses.

L’expérience de Michelson

Une fois ce point démontré, l’étape suivante consistait à mesurer la vitesse de la Terre par rapport à l’éther. La contribution majeure fut le fait du physicien américain Albert Michelson, qui développa un instrument pour effectuer cette mesure. Ce système, appelé un interféromètre, était constitué d’une source de lumière et d’un jeu de miroirs.

Il fonctionnait de la manière suivante : un rayon lumineux à fréquence bien déterminée entrait dans l’instrument et était divisé en deux. Les deux faisceaux lumineux ainsi créés se propageaient dans des directions perpendiculaires, avant d’être réfléchis et finalement recombinés en un rayon unique. L’analyse de ce dernier montrait comment les deux faisceaux s’étaient comportés lorsqu’ils étaient séparés.

L’interféromètre pouvait mettre en évidence une possible différence entre la propagation de la lumière suivant les deux directions perpendiculaires. Or, si la Terre était en mouvement par rapport à l’éther, la direction de propagation parallèle à ce déplacement était privilégiée. Les deux faisceaux lumineux devaient donc se comporter différemment et l’instrument de Michelson était en mesure de le montrer. L’expérience eut lieu en 1887 et montra que l’effet attendu ne se produisait pas.

Si l’éther existait, la Terre devait y être fixe. Exactement l’inverse de ce que l’aberration avait montré. Le concept d’éther aboutissait donc à une impasse. La Terre ne pouvait pas être à la fois en mouvement et fixe par rapport à lui. La seule conclusion possible était que l’éther, donc l’espace absolu, n’existaient pas. Ce qui signifiait également qu’il fallait revoir la physique newtonienne puisqu’elle reposait sur cette hypothèse.

Les relativités

Plusieurs tentatives de révision furent faites après l’expérience de Michelson mais elles n’allaient pas assez loin dans le renouvellement des concepts de base. Il fallut attendre qu’un jeune physicien allemand, Albert Einstein, apporte une vision totalement nouvelle des choses.

Ceci se fit en deux temps. D’abord, en 1905, Einstein présenta sa théorie de la relativité restreinte qui révolutionnait notre vision de l’espace et du temps, mettait en évidence l’interdépendance des deux notions et éliminait l’idée d’absolu dans ces concepts. Ensuite, en 1915, il publia sa théorie de la relativité générale qui complétait la précédente en traitant des effets de l’accélération et de la gravité et allait encore plus loin dans la remise en cause de la physique de Newton.

La vitesse constante de la lumière

Albert Einstein développa la relativité restreinte à partir de deux principes de base. D’abord, les lois de la physique devaient être les mêmes dans tous les systèmes de référence, pourvu qu’ils ne soient pas soumis à une accélération. Aucun système n’était privilégié et il n’existait rien de tel qu’un espace absolu. Ensuite, la vitesse de la lumière devait être une constante fixe. Elle ne dépendait pas du mouvement de la source d’émission. Tous les observateurs, quel que soit leur mouvement, devaient mesurer la même valeur.

Ce deuxième principe peut paraître étonnant. Dans la vie de tous les jours, nous sommes habitués à ce que les vitesses s’additionnent ou se soustraient. Imaginons que je me trouve dans un train qui roule à 90 kilomètres à l’heure. Je décide d’aller vers l’avant et me mets à marcher à 10 kilomètres à l’heure par rapport au train. Pour un observateur à l’extérieur du train, les vitesses s’additionnent et j’avance en fait à 100 kilomètres à l’heure par rapport au sol.

Mais ce qui est vrai dans la vie quotidienne ne l’est plus lorsque l’on considère la lumière. Imaginons maintenant qu’un photon, qui se déplace à la vitesse de la lumière dans un laboratoire, en émette un autre par quelque processus physique. Si les deux photons se dirigent dans le même sens, on s’attendrait à ce que le deuxième se déplace au double de la vitesse de la lumière par rapport au laboratoire. En fait, il n’en est rien, le deuxième photon se déplace exactement à la vitesse de la lumière par rapport au laboratoire.

Ceci peut paraître étonnant, mais découle directement de l’expérience de Michelson. Celle-ci montre en effet que la lumière se propage de la même façon dans les directions parallèle et perpendiculaire au mouvement de la Terre. Sa vitesse est donc identique dans les deux directions et insensible au déplacement de la Terre sur son orbite. De nombreuses autres expériences ont d’ailleurs confirmé cet état de fait.

La relativité du temps

L’alliance des deux principes précédents allait révolutionner la physique et notre conception de l’espace et du temps. En particulier, elle allait remettre en cause les concepts de simultanéité et de temps absolu. Dans la vie de tous les jours, deux événements simultanés le sont pour tout le monde. Si vous apercevez deux lampes s’allumer en même temps, n’importe quel autre observateur en mouvement ou pas les verra également se mettre à briller au même moment. Pourtant, ce n’est plus le cas en relativité restreinte.

Imaginez qu’avec un de vos amis vous formiez une équipe d’astronautes chargés de vérifier les prédictions de la théorie. Vous êtes à bord d’une station spatiale éloignée de tout champ gravitationnel. Votre ami se trouve dans une navette spatiale pourvue de propulseurs très puissants lui permettant d’atteindre une vitesse proche de celle de la lumière.  Il va effectuer un passage à grande vitesse devant la station spatiale, en prenant bien soin de couper ses moteurs et donc de se déplacer à vitesse constante.

Au moment où il passe juste devant vous, votre ami fait l’expérience suivante. Il se positionne exactement au centre de sa navette, allume une lampe et observe la propagation de la lumière vers l’avant et l’arrière. Puisqu’il se trouve exactement au centre de la navette, il vérifie bien que la lumière de la lampe atteint les deux extrémités de la navette au même moment, de façon simultanée.

Depuis la station spatiale, vous observez cette expérience mais les choses ne sont pas aussi simples car pour vous la navette est en mouvement. L’arrière de la navette avance et se précipite vers les rayons lumineux provenant de la lampe, alors que l’avant au contraire s’en éloigne et tend à retarder le moment de la rencontre. Pour vous, les rayons de la lampe atteignent donc l’arrière de la navette avant de toucher l’avant. Les deux événements, qui étaient simultanés pour votre ami, ne le sont pas pour vous.

Ainsi, avec la relativité restreinte, la simultanéité n’est plus un concept absolu. Si un observateur voit deux événements se produire simultanément en deux endroits distincts, un autre observateur en mouvement par rapport au premier, verra l’un des deux événements se produire avant l’autre. Un effet étonnant, mais dont les conséquences ont maintes fois été vérifiées par l’expérience.

Cette perte de la simultanéité universelle a pour conséquence l’abandon de la notion de temps absolu. En effet, comment pourrait-on encore parler d’un temps absolu indépendant de toute influence extérieure si différents observateurs sont incapables de se mettre d’accord sur la chronologie de deux événements ?