Histoire de la relativié restreinte

Loi de l'attraction universelle : Issac Newton (1642-1727)

Assis un jour sous un pommier, une pomme tomba devant lui ; et ce hasard réveillait peut être dans son esprit les idées de mouvements accélérés et uniformes. Il se mit à réfléchir dans ce singulier pouvoir qui sollicite les corps vers les centres de la terre, qui les y précipite avec une vitesse continuellement accélérée, et qui s'exerce encore sans éprouver aucun affaiblissement appréciable sur les plus hautes tours et au sommet des montagnes les plus élevées. Aussitôt, une nouvelle idée s'offrant à son esprit , comme un trait de lumière . Pourquoi, se demanda -t-il, ce pouvoir ne s'étendrait-il pas à la lune même ; et alors que faut-il de plus pour la retenir sur son orbite autour de la terre ? Ce n'était là qu'une conjecture, mais quelle hardiesse de pensées ne fallait-il pas pour la former et déduire d'un si petit accident ! On juge bien que Newton s'appliqua tout entier à la vérifier. Alors il songea que, si la lune était en effet retenue autour de la terre par la pesanteur terrestre, les planètes qui se meuvent autour du soleil devraient être retenue de même dans leurs orbites par leur pesanteur vers cet astre. Mais, si une telle pesanteur existe, sa constance ou sa variabilité, ainsi que l'énergie de son pouvoir à divers distances du centre, doivent se manifester dans la vitesse diverses des mouvements de circulation ; et , par conséquent, sa loi doit pouvoir se conclure dans ces mouvements comparés.
Newton établit alors la loi suivante, dite loi d'attraction universelle : deux corps de masse M et M', séparés par une distance r, s'attirent avec une force dont l'intensité est donnée par la formule :

Newton a du attendre que le diamètre de la terre soit connu avec assez de précision pour vérifier son hypothèse sur le mouvement de la lune. Newton publia ses travaux dans ses " Principes de la philosophie naturelle ".

(savants français 1774-1864)

Ondes électromagnétiques et notions d'ether : Clarck Maxwell

" Ether ", ce mot archaïque auquel Maxwell faisait allusion, avait pour lui une signification précise. En expliquant sa théorie sur l'électromagnétisme (effets électrique et magnétiques des charges électriques en mouvement) il l'avait posé en postulat, pour que l'on puisse présenter comment la lumière est transmise à travers l'espace . Dans cette définition l'éther était le milieu ambiant à travers lequel l'énergie de rayonnement était transmise, et à travers lequel vibrait les ondes électromagnétiques à l'instar des rides circulaires dans l'eau ou du son dans l'air. Et parce qu'on croyait généralement que l'éther imprégnait tout l'univers, on pensait que la terre elle-même se déplaçait à travers l'éther, pivotant autour de son axe tout en décrivant une orbite autour du soleil.
Maxwell pensait que la présence de l'éther serait prouvée si l'on parvenait à démontrer qu'il ralentissait la vitesse de la lumière. Mais cette expérience était très difficile à réaliser vue la grande vitesse de la lumière.

L'éther face à l'expérimentation : Michelson et Morley

Michelson et Morley prétendaient que si l'espace était rempli par l'éther, un faisceau lumineux projeté sur la terre en mouvement devait être retardé comme un bâteau naviguant à contre courant. Pour vérifier cette hypothèse, ils ont réalisé une expérience à juste titre comme une des plus séduisantes de l'histoire de la physique.

L'appareil était ajustable, pour qu'un rayon puisse être projeté dans le sens du mouvement terrestre et l'autre dans le sens opposé. Si le rayon lumineux projeté dans le sens du mouvement terrestre était ralenti par sa traversée dans l'éther, il se trouverait donc déphasé par rapport à l'autre rayon lumineux (leur déphasage est proportionnel à leur différence de marche). Or cette expérience n'a pas permis de constater un écart de phase entre les deux rayons. Elle a été répétée plusieurs fois au cours des années qui ont suivi, dans des endroits différents, et par d'autres physiciens, sans jamais constater une différence de marche entre les deux rayons.
L'expérience de l'éther était donc un coup porté à la théorie de l'éther.

Contraction des corps : Fitzgerald et Lorentz

D'après l'hypothèse formulée par ces deux physiciens, un objet se déplaçant dans l'éther se contracte dans le sens de son mouvement, en fonction de sa vitesse et d'autant plus que celle-ci se rapproche de la vitesse de la lumière. Ce phénomène connu sous le nom de " contraction de Lorentz-Fitzgerald " se ramenait à une série d'équations mathématiques. Ces deux physiciens ramenaient l'échec de l'expérience de Michelson et Morley au fait que le dispositif d'expérimentation subissait une contraction qui dissimulait tout ralentissement de la vitesse du faisceau freiné au cours de son passage dans l'éther.
Alors que Lorentz et Fitzgerald venaient, semblait-il, de sauver la théorie de l'éther, une autre énigme plus compliquée encore allait se poser : pourquoi un corps en mouvement se contractait ?

Le monde extraordinaire d' Einstein

Ses études terminées à l'institut polytechnique, Einstein entra au service des brevets d'inventions à Berne. Là, son intelligence fut entraînée à saisir rapidement les concepts de base des inventions qui lui étaient soumises pour l'obtention des brevets, ce qui ne fit que développer cette faculté prodigieuse qui lui permettait de se rendre-compte immédiatement des conséquences théoriques essentielles des expériences scientifiques . Au cours de ce bref séjour en suisse, Einstein écrivit une série d'articles sur des sujets variés qui devaient révolutionner la physique. Un de ses articles " de l'électromagnétisme des corps en mouvement ", publié en 1905 alors qu'il était âgé de vingt-six ans, contenait les idées essentielles d'Einstein sur la théorie spéciale de la relativité. Ses conclusions allaient bouleverser les concepts classiques en mécanique et en électromagnétisme .
- Premièrement, Einstein rejetait la théorie de l'éther.
- Deuxièmement, il disait qu'il n'y a pas d'espace fixe, c'est à dire un point quelconque d'ou l'on puisse faire une distinction entre le mouvement relatif et le mouvement absolu. En d'autres termes, il n'y a rien dans l'univers qu'il existe une immobilité absolue. Lorsqu'on est assis dans un train arrêté et qu'un autre train passe devant la fenêtre du compartiment dans lequel on se trouve, il arrive un moment où il est impossible de dire lequel des deux trains est en marche.
- Troisièmement, et c'est peut être la conclusion la plus importante, la lumière a toujours la même vitesse quelque soit le procédé employé pour la calculer. Einstein considérait la vitesse de la lumière comme une constante universelle,c'est la raison pour laquelle Michelson et morley n'ont pas observé une différence de marche entre les deux faisceaux.

Si des balles sont tirées simultanément de deux fusées, chacune équidistante d'un observateur, et se déplaçant à la même vitesse, la balle tirée de la fusée qui approche frappera la première; sa vitesse est augmentée car la fusée l'entraîne vers l'observateur , en plus de l'impulsion relative qu'elle lui a tranmise. Tandis que la deuxième balle est freinée ; la fusée l'entraine loin de l'observateur, en plus de l'impulsion relative qu'elle lui à également transmise. La permière balle arrivera la première à l'observateur même si les deux fusée leur ont communiqué les mêmes impulsions relatives.

D'un autre côté si deux faisceaux de lumière sont projetés simultanément des deux fusées, ils arrivent en même temps à l'observateur. On dit que quel que soit le mouvement de sa source, la lumière se déplace toujours dans le vide avec la même vitesse.

Lidée d'Einstein avait des conséquences intéressantes. Supposons qu'un Physicien A menu d'une règle et d'un chronomètre se déplace sur une plateforme spatiale. Pour calculer la vitesse de la lumière, ce physicien n'a qu'à mesurer la distance parcourue par la lumière pendant un intervalle de temps donné et , en se servant de sa règle et de son chronomètre, il trouve bien que la lumière se déplace à une vitesse de 300000 kilomètres par seconde.

Supposons maintenant qu'un deuxième physicien B, se déplaçant à une vitesse plus grande que celle du physicien A et menu du même chronomètre et de la même règle que le physicien A, veut à son tour mesurer la vitesse de la lumière.La conséquence stupéfiante c'est que les deux physiciens vont trouver le même resultat. La lumière se déplace avec la même vitesse par rapport au deux physiciens.Le fait que le Physicien B se soit servi d'une règle trop courte à cause de la contraction de Lorentz- Fitzgerald, ces mesures auraient été différentes puisque la distance parcourue par la lumière par rapport à lui aurait été plus grande. L'inévitable conclusion qui nous permet de résoudre cette énigme c'est que l'autre variable utilisée pour calculer la vitesse (c'est-à-dire le temps) avait augmenté ; le temps s'était "ralenti".Le temps qui s'écoule entre deux évenements données pour les deux physiciens est différent, car ils ne se déplacent pas avec la même vitesse. Les physiciens appellent ce ralentissements du chronomètre "dilatation de temps", c'est un phénomène très remarquable pour les vitesses qui sont proches de la vitesse de la lumière.

Einstein était persuadé que la dilatation du temps était une propriété authentique du monde réel , il avait la conviction qu'un homme quittant la terre à bord d'une fusée constaterait effectivement un ralentissement de son chronomètre. De plus l'homme qui aurait fait un tel voyage pourrait trouver en revenant sur la terre que son frère jumeau a vieillit ou mort depuis longtemps alors que lui, qui était à bord d'une fusée très rapide, venait de faire un petit tour dans l'espace.
Masse et énergie
Les physiciens de l'époque d'Einstein avaient accepté non seulement le principe de la conservation d'énergie , mais aussi celui de la conservation de la masse, ce qui revenait à dire que la matière ne pouvait ni être créée, ni être détruite.
Revenons au principe fondamental de la dynamique Newtonienne :
Selon ce principe, une masse, sous l'effet d'une impulsion très forte, pourrait atteindre une accélération très grande et , par conséquent, pourrait dépasser la vitesse de la lumière. C'est là ou intervient encore la théorie d'Einstein . Rien ,affirme-t-il , ne peut se déplacer plus rapidement que la lumière. Non seulement la distance et le temps subissent l'influence de la vitesse, mais aussi la masse.
Lorsqu'un corps approche de la vitesse de la lumière, sa masse deviendrait infinie, et aucune force ne pourrait le faire aller plus vite.

A des vitesses faibles devant celle de la lumière, l'augmentation de la masse prévue par la relativité d'Einstein est imperceptible. Même un avion à réaction se déplaçant à la vitesse du son n'enregistre qu'une augmentation de masse de un dix billionième de un pour cent. Mais la masse augmente rapidement au fur et à mesure qu'on s'approche de la vitesse de la lumière. A 90 % de cette vitesse, sa masse augmente près de deux fois.
D'après l'équation d'Einstein et la formule désormais célèbre : E = m c ² , l'augmentation et la diminution en énergie sont toujours associées à un changement de masse. Lorsqu'on chauffe un corps, on lui communique de l'énergie sous forme de chaleur, ce qui augmente imperceptiblement sa masse.
La conversion théorique de la masse en énergie d'après la célèbre équation E = m c² aboutit à une énergie surprenante à tel point que 450 g d'une substance quelconque permettrait pour une automobile de faire 180000 fois le tour du monde.
Une force prodigieuse née du mythe de la matière.En 1942, Enrico Fermi déclencha la première réaction nucléaire en chaîne qui allait ouvrir l'âge atomique avec tout son mal et bien fait pour l'humanité. Douze ans plus tard, la bombe-H qui explosait à Bikini avait un pouvoir destructeur 5 fois plus grand que celui de toutes les bombes utilisées pendant la guerre mondiale.