relativité
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La physique classique repose sur le concept d'un espace et d'un temps absolus. Ainsi, si l'on synchronise deux horloges sur la Terre, puis que l'on transporte l'une d'entre elles dans une galaxie éloignée, ces deux horloges resteront synchronisées. Le temps, en mécanique classique est le même partout, dans tout l'Univers. L'espace jouit lui aussi du même statut de grandeur physique absolue. En mécanique classique, la mesure des distances est totalement indépendante de la position et des déplacements des observateurs qui procèdent à cette mesure. L'espace peut être imaginé comme un réseau quadrillé à trois dimensions, de taille infinie, et dont la maille serait infinitésimale (afin de satisfaire la contrainte de continuité de l'espace). En mathématique un espace de ce type est connu sous le nom d'espace euclidien.
C'est dans un tel espace muni d'une horloge universelle - qui bat le tempo pour l'ensemble de l'Univers - que les lois de la physique classique ont été énoncées.
Considérons l'une des lois les plus simples de la mécanique classique : la loi d'addition des vitesses. Cette loi nous dit, notamment, que les vitesses colinéaires (alignées selon un même axe) s'ajoutent si elles sont orientées vers la même direction et se retranchent si leurs directions sont opposées. Cette loi est très simple et peut être appréhendée de façon quasi "naturelle".
Au siècle dernier, les physiciens pensaient que la loi d'addition des vitesses était toujours vraie mais cette certitude allait tomber au tournant du XXième siécle. Reprenons l'expérience précédente mais en remplaçant la sirène de l'ambulance par une source de lumière ou un émetteur d'ondes électromagnétiques (la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell avait établi à la fin du XIXième siècle que la lumière était une onde électromagnétique, c'est-à-dire de même nature qu'une onde radio). Paradoxalement, quelque soit la direction du véhicule (rapprochement ou éloignement), la mesure de la vitesse du rayon lumineux donne toujours le même résultat : 300.000 km/s ! Cette expérience a été réalisée par Michelson et Morley (dans un cadre expérimental différent mais équivalent) et a irrémédiablement amené les physiciens à conclure que la lumière se déplace toujours à la même vitesse quelque soit la vitesse de l'observateur.
Ce résultat a profondément ébranlé les fondements même de la physique classique et a donné naissance à une nouvelle description des lois de la nature : la théorie de la relativité restreinte. Selon la relativité restreinte, il n'existe pas d'observateur privilégié dans l'univers. En effet, rien ne permet de dire dans la nature si un observateur est fixe et son environnement mobile ou l'inverse. Le seul absolu qui existe est la vitesse de la lumière. C'est une constante universelle , c'est-à-dire que sa valeur est la même pour tous les observateurs, qu'ils soient immobiles ou mobiles (si tant est que cette distinction ait un sens comme il l'a été mentionné plus haut). Ceci découle, d'un point de vue plus mathématique, de l'universalité de l'équation des ondes électromagnétiques :
Cette équation est la même pour tous les observateurs dans l'univers. Comme elle contient intrinsèquement la valeur de la vitesse de la lumière (notée c) elle implique l'invariance de cette vitesse.
Ainsi le principe de relativité a notablement modifié notre conception de l'espace, du temps et des lois physiques. En mécanique classique l'espace et le temps constituent une trame fixe et absolue et les lois physiques peuvent s'exprimer différemment selon les observateurs. La relativité restreinte postule l'invariance des lois physiques (indépendance de l'expression des lois physiques vis-à-vis des observateurs) et accepte donc, a contrario, le caractère non absolu de l'espace et du temps.
L'invariance de la vitesse de la lumière nécessite une modification radicale de la loi d'addition des vitesses. Pour que deux observateurs A et B, A étant en mouvement par rapport à B (remarquez que la notion de mouvement est relative car pour A, c'est B qui est en mouvement) mesurent la même valeur pour la vitesse de la lumière il faut que les distances et les durées n'aient pas les mêmes valeurs pour A et pour B. En effet, la relativité restreinte prévoit que :
- les durées mesurées par l'observateur fixe sont plus grandes que celles mesurées par l'observateur mobile (dilatation du temps),
- les distances mesurées par l'observateur mobile sont plus courtes que celles mesurées par l'observateur fixe (contraction des distances).
Ces phénomènes sont d'autant plus visibles que les vitesses mises en jeu sont proches de celle de la lumière.
Cette prévision est couramment vérifiée dans les accélérateurs de particules. En effet, certaines particules ont une durée de vie très courte (très inférieure à la seconde). Comme ces particules sont accélérées au point d'atteindre des vitesses très proches de celle de la lumière (99,999 % de la vitesse de la lumière), la durée de vie observée dépasse largement plusieurs heures !
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