Théorie de la relativité d'Einstein

La théorie de la relativité d'Einstein est une théorie célèbre, mais elle est peu comprise. La théorie de la relativité fait référence à deux éléments différents de la même théorie: la relativité générale et la relativité restreinte. La théorie de la relativité restreinte a été introduite en premier et a ensuite été considérée comme un cas particulier de la théorie plus complète de la relativité générale.

La relativité générale est une théorie de la gravitation qu'Albert Einstein a développée entre 1907 et 1915, avec des contributions de beaucoup d'autres après 1915.

Théorie des concepts de relativité

La théorie de la relativité d'Einstein comprend l'interfonctionnement de plusieurs concepts différents, notamment:

• Théorie de la relativité restreinte d'Einstein - comportement localisé d'objets dans des référentiels inertiels, généralement pertinent uniquement à des vitesses très proches de la vitesse de la lumière
• Transformations de Lorentz - les équations de transformation utilisées pour calculer les changements de coordonnées sous relativité restreinte
• Théorie de la relativité générale d'Einstein - la théorie plus complète, qui traite la gravité comme un phénomène géométrique d'un système de coordonnées spatio-temporelles incurvé, qui comprend également des cadres de référence non inertiels (c'est-à-dire en accélération)
• Principes fondamentaux de la relativité

Qu'est-ce que la relativité?

La relativité classique (définie initialement par Galileo Galilei et affinée par Sir Isaac Newton) implique une simple transformation entre un objet en mouvement et un observateur dans un autre référentiel inertiel. Si vous marchez dans un train en marche et que quelqu'un stationnaire au sol vous regarde, votre vitesse par rapport à l'observateur sera la somme de votre vitesse par rapport au train et de la vitesse du train par rapport à l'observateur. Vous êtes dans un référentiel inertiel, le train lui-même (et tous ceux qui sont assis dessus) sont dans un autre, et l'observateur est dans un autre.

Le problème avec cela est que la lumière était censée, dans la majorité des années 1800, se propager comme une onde à travers une substance universelle connue sous le nom d'éther, qui aurait compté comme un cadre de référence séparé (similaire au train dans l'exemple ci-dessus) ). La célèbre expérience de Michelson-Morley, cependant, n'avait pas réussi à détecter le mouvement de la Terre par rapport à l'éther et personne ne pouvait expliquer pourquoi. Quelque chose n'allait pas avec l'interprétation classique de la relativité telle qu'elle s'appliquait à la lumière… et le champ était donc mûr pour une nouvelle interprétation quand Einstein est arrivé.

Introduction à la relativité restreinte

En 1905, Albert Einstein a publié (entre autres) un article intitulé "Sur l'électrodynamique des corps en mouvement" dans la revue Annalen der Physik. L'article a présenté la théorie de la relativité restreinte, basée sur deux postulats:

Les postulats d'Einstein

Principe de relativité (premier postulat): Les lois de la physique sont les mêmes pour tous les référentiels inertiels.

Principe de constance de la vitesse de la lumière (deuxième postulat): La lumière se propage toujours à travers un vide (c'est-à-dire un espace vide ou "espace libre") à une vitesse définie, c, qui est indépendante de l'état de mouvement du corps émetteur.

En fait, l'article présente une formulation mathématique plus formelle des postulats. La formulation des postulats est légèrement différente d'un manuel à l'autre en raison de problèmes de traduction, de l'allemand mathématique à l'anglais compréhensible.

Le deuxième postulat est souvent écrit à tort pour inclure que la vitesse de la lumière dans le vide est c dans tous les cadres de référence. C'est en fait un résultat dérivé des deux postulats, plutôt qu'une partie du deuxième postulat lui-même.

Le premier postulat est à peu près le bon sens. Le deuxième postulat, cependant, était la révolution. Einstein avait déjà introduit la théorie des photons de la lumière dans son article sur l'effet photoélectrique (qui rendait l'éther inutile). Le deuxième postulat était donc une conséquence des photons sans masse se déplaçant à la vitesse c dans le vide. L'éther n'avait plus un rôle spécial en tant que référentiel inertiel "absolu", il était donc non seulement inutile mais qualitativement inutile sous la relativité restreinte.

Quant au papier lui-même, l'objectif était de réconcilier les équations de Maxwell pour l'électricité et le magnétisme avec le mouvement des électrons près de la vitesse de la lumière. Le résultat de l'article d'Einstein a été d'introduire de nouvelles transformations de coordonnées, appelées transformations de Lorentz, entre les référentiels inertiels. À basse vitesse, ces transformations étaient essentiellement identiques au modèle classique, mais à grande vitesse, près de la vitesse de la lumière, elles ont produit des résultats radicalement différents.

Effets de la relativité restreinte

La relativité restreinte entraîne plusieurs conséquences de l'application de transformations de Lorentz à des vitesses élevées (proches de la vitesse de la lumière). Parmi eux: