Tout est relatif
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Par M.Oldache
Contrairement à ce que l'on pense souvent, Einstein ne s'est pas levé un matin avec la théorie de la relativité en tête. Son génie a consisté à synthétiser en les dépassant des recherches et interrogations bien antérieures.
Les anciens faisaient une nette distinction entre la Terre qu'ils situaient presque unanimement au centre de l'univers et le ciel qui demeurait lointain et mystérieux. Pour eux, il ne faisait pas l'ombre d'un doute que les planètes obéissaient à des lois tout-à-fait distinctes de celles auxquelles étaient soumis les objets terrestres. Ce n'est qu'au début du 16è siècle que Nicolas Copernic, astronome polonais attribua aux planètes (dont la Terre) un mouvement de révolution autour du soleil. Il expliqua l'alternance du jour et de la nuit par une rotation de la Terre autour d'elle-même, au lieu que ce soit le ciel qui tournait autour de la Terre. Ces idées étaient si hardies que Copernic lui-même eut du mal à croire en sa propre théorie. Peu après, Johann Kepler, le célèbre savant mystique allemand, établissait ses troits fameuses lois régissant le mouvement des planètes. Sur Terre, son contemporain Galileo Galilée découvrit la loi de chute des objets terrestres. Ainsi malgré des efforts considérables, le ciel et la Terre étaient maintenus soigneusement séparés. Mais l'année même où mourut Galilée, naquit Isaac Newton, considéré comme étant l'un des plus grands physiciens de tous les temps. Il a acquis cette célébrité grâce à son génie d'une part, et son labeur d'autre part. Le physicien Banesh Hoffman a dit à son propos : " Mangeant à peine, dormant peu, ignorant son entourage, il se mit au travail avec une ardeur incroyable, une intuition et une compétence technique sans rivales. En 18 mois, il écrivit la majeure partie de plus grand livre de l'histoire de la science : Philosophiae naturalis principia mathematica ".
Newton montra que les lois de la nature qui s'appliquaient sur Terre étaient aussi valables au ciel. Sa théorie est d'ailleurs intitulée : théorie de l'attraction universelle. Pour en arriver là, notre savant introduisait les notions d'espace et temps absolus. Pour Newton, l'espace existe indépendamment de la matière et s'étend partout, homogène et isotrope. Homogène parce que les lois de la nature sont les mêmes en tout point de l'espace et isotrope parce qu'il n'y a pas de direction privélégiée. Le temps newtonien est indépendant de la matière et de l'espace. Il s'écoule uniformément tel une rivière au débit constant et les durées sont identiques pour tous les observateurs. Se basant sur ces concepts, Newton a construit une théorie physique universelle très cohérente et très élégante. Pendant longtemps, les hommes de science crurent que la mécanique newtonienne était capable de tout expliquer et que la physique avait dit son dernier mot. Vaine illusion. Vers la fin de 19e siècle, divers phénomènes se révélèrent intraitables dans le cadre de la physique newtonienne, les problèmes liés à l'électromagnétisme en particulier. Cela amena certains savants à remettre en question quelques aspects de la physique classique. Einstein alla même jusqu'à rejeter les notions d'espace et temps absolus postulés par Newton.
La notion de relativité laisse entendre que les phénomènes de la nature apparaissent sous des aspects différents selon la position de l'observateur. Il ne faut cependant pas confondre relativité et relativisme. Le relativisme consiste à dire que tout est relatif et qu'il n' y a pas de règles universelles, applicables à tous et à tout. Bien au contraire, les auteurs de la relativité ont voulu construire une théorie telle que les lois de la nature soient invariantes et universelles.
En un sens, la mécanique newtonienne est elle-même relativiste. En effet, pour décrire le mouvement d'un corps, il est nécessaire de repérer sa position par rapport à d'autres corps qu'on supposera fixes. Lorsqu'on aperçoit un bâteau au large, il est difficile de savoir s'il se déplace ou s'il est immobile, faute de point de repère. Il est par contre très facile de remarquer le déplacement d'une voiture roulant avec une vitesse modérée sur une route bordée d'arbres. Pour décrire le mouvement d'un mobile, il faut choisir un repère. Habituellement, ce repère est un système de trois axes orthogonaux ayant un point commun. Pour repérer la position d'un point quelconque de l'espace, il suffit alors de donner les distances le séparant suivant la verticale de chacun des axes de coordonnées. Un tel repère est dit cartésien, du nom du philosophe et mathématicien René Descartes.
Tout observateur décrit les choses en les reportant dans son propre système de référence (autrement dit son repère ) . Si cet observateur détecte une variation de la position d'un objet, il supposera à fortiori que c'est cet objet qui bouge tandis que lui se trouve au repos. Il semble d'ailleurs que cette mentalité est solidement ancrée chez les humains. Bien souvent, lorsque nous remarquons un comportement qui ne nous plaît pas, nous nous mettons immédiatement dans la tête que l'auteur de ce comportement est dans le tort ou qu'il est anormal, tandis que nous, nous avons toujours raison et sommes parfaitement normaux.
à suivre...
La vitesse de la lumière posait également un problème. Jusqu'au 17e siècle, on pensait que la lumière se propageait instantanément, c'est-à-dire, qu'elle avait une vitesse infinie. Pour en avoir le coeur net, Galilée posta un homme muni d'une lanterne sur chacune de deux collines distantes d'un kilomètre et demi. Les lanternes étant allumées, l'un des hommes cachait à l'aide de sa main la lumière de sa lanterne. Il enlevait ensuite sa main et le deuxième homme devait en faira autant dès qu'il apercevait la lumière venant de l'autre colline.
En tenant compte du réflexe des deux hommes, Galilée trouva que la lumière se propageait avec une vitesse infinie. Bien entendu, ce résultat était faux mais le mérite de Galilée est d'y avoir pensé. En 1675, le mathématicien danois Olaus Romer donna une estimation assez bonne de la vitesse de la lumière en se basant sur l'irrégularité du mouvement des satellites de Jupiter. Plus tard, Bradley expliqua l'aberration des étoiles par la finitude de la célérité de la lumière. Celle-ci est aujourd'hui estimée à 299 792 km/s. D'habitude, les étudiants (ô paresse ennemie !) arrondissent cette valeur à 300 000 km/s. A cette vitesse-là, la lumière solaire met 8 minutes et 20 secondes pour nous parvenir. Le problème qui se pose est de savoir si la vitesse de la lumière est influencée par le mouvement de la source lumineuse ou non. Si on applique des lois de la physique classique, cette vitesse devrait diminuer ou augmenter suivant que la source s'éloigne ou se rapproche de l'observateur.
En 1887, Michelson et Morley utilisèrent un interféromètre pour essayer de mettre en évidence l'effet d'entrainement de la Terre sur la vitesse de la lumière. L'expérience échoua mais permit quand même de montrer que la vitesse de la lumière était constante.
Fitzgerald expliqua cet échec par la contraction des longueurs. Il supposa, quelque peu arbitrairement, qu'un objet se déplaçant avec une grande vitesse apparaît applati à un observateur immobile. Lorentz fit indépendamment la même hypothèse et montra que si les longueurs rétrécissent, alors le temps doit se dilater. Les deux savants firent preuve d'une grande honnêteté intellectuelle en rendant publique leur découverte. Lorentz était sur le point de publier ses travaux lorsqu'il entendit que Fitzgérald était arrivé au même résultat que lui. Il alla lui demander alors s'il avait déjà publié sa découverte. Fitzgérald lui ayant répondu par la négative, Lorentz publia son papier tout en rendant hommage à son collègue. Mais il s'avéra que l'article de Fitzgérald avait été publié sans que son auteur le sache ! Pour ces deux savants, la contraction des longueurs et la dilatation du temps n'étaient que des articles mathématiques sans rapport avec la réalité. Mais Einstein leur attribua un sens physique bien réel, détruisant ainsi les concepts d'espace et temps absolus sur lesquels était basée la physique classique . Une nouvelle théorie venait ainsi de naître : la relativité.
Il ne faut pas penser que la contraction des longueurs et la dilatation du temps ne sont que des spéculations théoriques. Les physiciens ont détecté à la surface de la Terre des particules appelées mésons. Ces particules se forment en haute atmosphère sous l'effet des rayons cosmiques. Or il s'avère que leur durée de vie est inférieure au temps nécessaire pour qu'elles parviennent à la surface de la Terre. Ce fait ne peut être expliqué que si l'on tient compte de la dilatation du temps et de la contraction des longueurs. Toujours selon Einstein, la simultanéité est également une notion relative. Deux évènements paraissent se dérouler au même instant pour un observateur peuvent être décalés dans le temps pour un autre. Autre effet relativiste : l'accroissement de la masse avec la vitesse. En mécanique classique, la masse, tout comme l'espace et le temps est une chose " sacrée " ou, pour être plus exact, invariable. La masse représente la quantité de matière présente dans un corps et en aucun cas, elle ne peut varier. En relativité, ce n'est pas le cas : la variation de la masse avec la vitesse a été observée grâce aux accélérateurs de particules. Plus on accélère une particule et plus sa masse augmente. Mais cet effet, comme tous les effets relativistes, ne se fait sentir qu'à des vitesses très grandes. Lorsqu'on y pense, ces fait sont fantastiques et semblent relever plutôt de la science-fiction que de la réalité quotidienne.
Décidément, la relativité est une " chose " très étrange mais ce n'est pas tout. Selon cette théorie, la masse et l'énergie sont deux choses équivalentes. Une fameuse équation dûe à Einstein exprime le fait que la masse peut se transformer en énergie et vice-versa. L'énergie dégagée par les réactions nucléaires provient de la disparition d'une fraction de la matière. Voilà un cinglant démenti au principe de Lavoisier : rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. Cette fois encore, l'équivalence masse-énergie a été vérifiée expérimentalement grâce à deux réactions nucléaires :
Un photon d'énergie peut se matérialiser ou se transformer en particules matérielles. Inversement, un électron et un positron peuvent disparaître en donnant naissance à un photon très énergétique.
A suivre...
le texte de Nassiba, sous forme d'un documentaire, qui raconte les étapes historiques de la physique depuis Faraday passant par Newton jusqu'à la découverte de la fameuse formule par Albert Einchtein
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Pourtant lorsque nous sommes dans un train et que nous voyons défiler les arbres, nous en concluant aussitôt que notre train se déplace, car sachant pertinemment que les arbres ne sont pas doués de mouvement. Cet exemple nous montre qu'on définit toujours un mouvement par rapport à un repère choisi. Newton, lui, croyait en l'existence de repos et de mouvement absolus. Cela l'emmena, comme nous l'avons vu, à postuler un espace et un temps absolus. Il a alors établi trois lois très générales auxquelles sont sensés se soumettre tous les corps matériels. Les systèmes de référence pour lesquels ces lois sont applicables sont dits systèmes galiléens ou encore système d'inertie. Tous les systèmes galiléens sont en mouvement rectiligne uniforme les uns par rapport aux autres. Ce qui signifie qu'ils se déplacent tous suivant une ligne droite avec une vitesse constante.
Le fait que les lois de la physique sont les mêmes pour les systèmes d'inertie, n'implique pas que les trajectoires des corps et leurs vitesses ne changent pas d'un repère à l'autre. Lorsqu'un voyageur assis dans un train laisse tomber un objet par la fenêtre, il le verra tomber suivant une ligne droite. Par contre, un observateur se trouvant immobile sur la route verra cet objet décrire une courbe. De toutes façons, lorsqu'on passe d'un système galiléen à un autre, des formules très simples permettent de déterminer les trajectoires et les vitesses dans le nouveau repère. Mais des savants s'aperçurent que ces formules n'étaient valables pour la lumière. Ce n'était pas la première fois que la lumière posait des problèmes.
Tout au long de l'histoire, philosophes et savants n'ont cessé de s'interroger sur sa nature. Newton pensait qu'elle était constituée d'infimes particules. Son contemporain Huygens soutenait que c'était une onde. Ces deux thèses s'affrontèrent pendant longtemps et au début du 19e siècle, Young et Fresnel firent pencher la balance en faveur de la théorie ondulatoire. Or une onde c'est une déformation qui se propage dans un milieu. Le son, par exemple, est une compression de l'air qui se transmet de proche en proche. D'ailleurs le son ne peut se propager dans le vide. Les rides circulaires qui se forment à la surface d'une eau calme lorsqu'on y jette une pierre nous donnent une idée visuelle du phénomène ondulaire. Augustin Fresnel postula en 1815 l'existence d'un milieu ompniprésent sensé véhiculer les vibrations lumineuses : l'éther. Il a fallu attribuer à ce milieu des propriétés étranges, voire contradictoires : il serait à la fois extrêmement rigide et très élastique. Il ne s'opposerait pas au mouvement des corps et pénètreraient à travers les objets transparents. Mais si l'éther existait vraiment, il devrait bien y avoir un moyen de le détecter. Lorsqu'une voiture passe telle un bolide près de vous, elle provoque un courant d'air qui vient vous rafraîchir. De même, le mouvement des planètes à travers l'éther devrait donner naissance à des vents d'éther. Malheureusement, toutes les tentatives entreprises pour détecter ces fameux vents d'éther échouèrent.
à suivre...