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La théorie

enstein.pngAu début du vingtième siècle, un scientifique, en se basant sur les découvertes de Maxwell, va élaborer une théorie. Il s’agit d’Albert Einstein.

Ce physicien, né le 14 mars 1879 en Allemagne, et mort le 18 avril 1955 au New Jersey, reçoit le prix Nobel de physique en 1921 pour ses apports à la science, tels que par exemple la découverte de la célèbre relation qui relie l’énergie et la matière : E=mc2 où E est l’énergie intrinsèquement contenue dans tout objet de masse  m  et où c est la constante de la vitesse de la lumière.

Autre exemple :  la création du modèle corpusculaire de la lumière, modèle qui suppose que la lumière est composée de « petits grains », appelés plus tard photons, d’énergie E=h.ν, où h est la constante de Planck et v la fréquence des longueurs d’onde émises par le photon.

 

Ses découvertes sont rassemblées dans la théorie de la relativité.

 

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Le terme de relativité vient de la différence perçue selon le référentiel utilisé pour observer le mouvement : si une personne laisse tomber ses clés par terre, elle observera simplement un mouvement accéléré rectiligne vers le centre de la terre qu'elle appellera « le bas » ; toutefois une personne, vivant dans un autre système solaire et équipée d'un matériel d'observation suffisamment développé pour voir les clés tomber, observera un mouvement beaucoup plus complexe. Pour lui les clés ne tombent pas que vers « le bas ».

La théorie de la relativité est une théorie vaste et complète, innovant sur la perception du temps et de l'espace. Si la mécanique newtonienne est à l'échelle humaine largement suffisante pour expliquer la majorité des phénomènes physiques, à des échelles plus importantes elle ne suffit plus.

C'est en appliquant la constante de la lumière découverte par Maxwell, qui jusque là n'était utilisé qu'en électromagnétisme, à la relativité galiléenne qu'Albert Einstein a construit la théorie de la relativité.

Il refuse l'existence du référentiel fixe absolu de Newton, ainsi que celle de l'éther, mais également l'additivité des vitesses car on ne peut rien ajouter à la constante de la vitesse de la lumière.

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La théorie de la relativité présente également une nouvelle manière de raisonner. Jusqu’au début du vingtième siècle, les théories étaient basées pour la plupart sur la répétition d’expériences et l’observation tandis que la relativité, à l’origine, entièrement théorique, n'est prouvée que bien plus tard. Nous décrirons certaines de ces preuves un peu plus bas.

La théorie de la relativité peut être décomposée en deux théories, parties ou étapes distinctes.

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1. la relativité restreinte.

Elle démontre par le calcul, ce que n'avait pas fait Galilée, que tous les événements peuvent se dérouler de la même manière dans tous les référentiels inertiels. Des formules permettent donc de passer d'un référentiel galiléen à un autre par le biais d'équations. Ces dernières mettent en évidence des phénomènes invraisemblables qui n'ont pas tous été confirmés par l'expérience. Le phénomène qui nous intéresse ici est  la dilatation du temps.

Elle consiste en un changement de l'écoulement du temps selon les accélérations subies. Par exemple, une horloge est dans une fusée qui accélère par rapport à la terre (on utilisera le référentiel géocentrique, c'est à dire que l'on choisit le centre de la Terre comme point de référence pour décrire le mouvement). L'horloge dans la fusée "bat" plus lentement que son homologue sur terre. Cette différence n'est sensible qu'à partir d'une vitesse de l'ordre du 10ème de la vitesse de la lumière, soit d'environ 3,00.107 m.s-1.Einstein nous donne la relation suivante : Δt = γΔT, où  Δt est la durée mesurée sur terre, ΔT celle mesurée dans la fusée et γ le "facteur de Lorentz" défini par la formule :

equation.pngoù β = v/c avec v la vitesse de la fusée et c la constante de la lumière.

 

Cette relation (Δt = γΔT) montre que plus la vitesse de la fusée est proche de la lumière, plus le facteur de Lorentz est élévé et plus la durée mesurée  sur Terre est supérieure à celle mesurée dans la fusée. L'écoulement du temps dépend donc des accélérations. Il est à noter que si le temps s'écoule moins vite dans la fusée, les passagers ne s'en rendent pas compte : pour eux c'est sur Terre que l'écoulement du temps s'accélère.

La théorie de la relativité restreinte a été validée expérimentalement grâce aux accélérateurs de particules qui permettent de faire accélérer  des particules en les chargeant d'énergie : les vitesses des électrons sont en cohérence avec les travaux d'Einstein.

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2. La relativité générale.

Elle étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels en décrétant que les référentiels inertiels n'existent pas dans la réalité car tout objet est soumis à des forces plus ou moins grandes. Elle inclut également les forces d'inertie ou pseudo-forces. Celles-ci sont des forces observables uniquement dans des référentiels non-inertiels qui n'existent pas dans les référentiels inertiels. Il s'agit, par exemple, de la sensation d'être tiré en avant quand on appuie sur la pédale lumiere.pngde frein de sa voiture. De plus la relativité générale déclare que la gravitation n'est pas une force et qu'elle est due à une courbure de l'espace-temps elle-même causée par la présence d'une masse ou d'énergie. Cette courbure dévie le mouvement de la matière (comme la gravité de Newton) et les rayons lumineux ainsi que le montre le schéma ci-contre.

La dilatation du temps en relativité générale change quelque peu par rapport à la relativité restreinte : les horloges dérivent les unes par rapport aux autres quand elles sont soumises à des gravitations différentes. Par exemple, dans un trou noir, où la gravitation est extrêmement élevée, une horloge semble mettre un temps infini à s'écouler pour l'observateur situé à l'extérieur. Cependant l'horloge ne s'arrête pas pour autant et continue de donner l'heure dans son référentiel.

En 1971, la dérive des horloges selon la gravité est mesurée pour la première fois par Hafele et Heating, grâce à un système GPS. une horloge atomique à bord d'un satellite prend du retard par rapport à une horloge située sur terre, confirmant les hypothèses émises par Albert Einstein un demi-siècle plus tôt.

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