LA RELATIVITÉ RESTREINTE ET GÉNÉRALE, l'une des plus belles théories scientifiques du XXème siècle

  

SALUT LES TERRIENS !

Si nous devions citer une découverte ayant façonné et totalement révolutionné notre manière de comprendre l'Univers, nous ne pourrions passer outre la théorie ou mieux les théories de la relativité, formulées par le physicien allemand Albert Einstein au début du XXè siècle. De par son originalité, sa simplicité et son incroyable compatibilité avec les observations actuelles, cette théorie, devenue la digne successeuse de la gravité de Newton, a donné naissance à une toute nouvelle branche de la physique et permis de mieux appréhender la structure cosmologique. Retour sur un concept à jamais gravé dans les annales de la physique...

Tout n'est que relativité..
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Afin d'illustrer le plus simplement possible la théorie, faisons une petite modélisation. Imaginez que vous êtes sur le quai d'une gare, et que vous attendez sur un banc le train. Votre personne constitue une entité matérielle tridimensionelle qui reste immobile sur le quai, ce qui signifie que dans un champ de coordonnées que l'on nomme galliléen, c'est à dire un repère caractérisé par la longueur, la largeur et la profondeur, vous ne bougez pas. Du moins en terme de spatialité, car le temps lui, s'écoule perpétuellement et par conséquent vous évoluez avec celui-ci. Vous possédez donc votre propre champ de coordonnées, votre propre perception du temps, indiquée par le mouvement des aiguilles de votre montre. 

A présent, vous vous levez et marchez quelques foulées. Vous êtes cette fois-ci en mouvement dans l'espace, cependant le temps continue de s'écouler normalement car vous êtes toujours en mouvement par rapport au même champ de coordonnées, celui du quai. Retenez bien ça, c'est une notion essentielle pour la suite !

Référentiels 

Peu de temps après, voilà votre train qui arrive en gare ! Vous le voyez défiler à grande vitesse devant vos yeux, et ses passagers également. Le train est un excellent exemple utilisé pour illustrer le principe de la relativité car il représente très bien ce qu' Einstein avait démontré et ce que Newton contredisait ; en effet selon ce dernier, le temps n'était qu'une ligne continue, immuable qui ne pouvait être considéré que dans l'interprétation d'un seul et même repère. Ce que nous allons voir balaie facilement cette idée, ce en toute logique ! Pour en venir là, mettez-vous à la place d'un voyageur situé dans le train : lui est immobile par rapport au train, lui même en mouvement, le véhicule représentant un nouveau champ de coordonnées dans lequel le passager se meut. 

Si vous êtes arrivé jusqu'ici, voilà où se trouve la divergence d'interprétation : ce passager, qu'il soit actif ou inactif, l'est-il par rapport au train qui est en mouvement, ou bien relativement au sol, totalement figé ? Car dans le premier cas, le temps s'écoule normalement et uniformément pour tous les passagers du train. Cependant, il s'écoule différemment pour les voyageurs au sol car ceux-ci ne sont pas en mouvement par rapport à un référentiel l'étant également, sachant qu'en plus le temps s'écoule de plus en plus lentement à mesure que le train avance de plus en plus vite !

C'est là que réside la théorie : le temps est interconnecté à l'espace du référentiel sélectionné, s'écoulant dans la même direction que ce dernier, tout en étant indépendant des autres ! Mesdames et messieurs, vous venez de comprendre la plus importante notion en relativité restreinte ! De plus, dans ses postulats, Einstein a hypotisé que la lumière était la plus grande vitesse ateignable dans l'Univers, la vitesse étant paramètrée à la quantité d'énergie nécessaire pour l'atteindre, et que rien ne pouvait la dépasser. 300 000 km/s était une limite invariable, infranchissable.

L'apogée d'Albert Einstein

Cette théorie, qui bouleverse radicalement notre vision du temps et de son déroulement, a été élaborée par un allemand d'une vingtaine d'années, alors employé à l'office des brevets de Berne. Le travail d'Einstein était donc de rester toute la journée dans un bureau, à examiner les propositions de brevets scientifiques qui lui arrivaient, et de les approuver si besoin ; on est là très loin de la grande carrière universitaire à Zurich dont il rêvait tant. Mais il décida d'envoyer une série de cinq articles à une revue allemande renommée de l'époque. Regroupant des idées formulées par Lorentz, Fitzgerald et Poincaré notamment, la théorie de la relativité restreinte a expliqué simplement et concrètement la perception du temps et les référentiels spatiaux, surtout inertiels. Il est également à noter que c'est grâce à Max Planck, physicien allemand quantique de grand renom, que la théorie d'Einstein a pu être considérée à sa juste valeur. 

Dans les années qui suivent, Einstein monte en puissance dans la communauté scientifique et devient professeur à l'université. Déjà, il recommence ses réflexions sur une nouvelle théorie, complémentaire de la précédente, qui permettrait de réunir deux grands concepts qui étaient perçus comme absolument incompatibles : l'espace et le temps. C'est chose faite en 1915, lorsque la théorie de la relativité générale est publiée.

Place à l'espace-temps

Ce nouveau principe de la relativité générale est sûrement encore plus simple que la restreinte, car déterminant logiquement et avec une telle acuité que celle-ci reste infaillible de nos jours ! Einstein, comme à son habitude, est parti d'une simple hypothèse, d'un raisonnement mathématique qui a été propulsé au rang meilleur modèle de la cosmologie moderne.

Selon la théorie, nous vivrions dans un univers quadridimensionnel (donc à quatre dimensions, soient longueur, largeur, profondeur, et temps) dont l'espace peut être représenté par une toile modelable et extensible. De la même manière qu'une boule creuse un tissu, chaque masse, la Terre, le Soleil, tous les astres ont un impact sur la courbure de cette toile qui est l'espace-temps. 

Einstein a remanipulé la théorie de la gravitation de Newton et en a donné une nouvelle interprétation de cette force, l'assimilant à un changement dans la courbure de l'espace-temps. Avec ce nouveau modèle, naissait également de nouveaux concepts théoriques, telles que les trous de ver, ou ponts d'Einstein-Rosen (sorte de tunnel reliant deux points de l'espace), les singularités (lieux où la densité de matière est infinie, dans les trous noirs par exemple) ou encore le phénomène de lentille gravitationnelle (quand une masse telle que celle du Soleil est tellement importante qu'elle déforme la lumière). Suite à cette formulation inédite de notre vision du cosmos vint une nouvelle vague médiatique, Einstein est considéré comme le plus grand génie de son temps, et obtient des postes et médailles de plus en plus importantes.

Modélisation de la théorie

Le plus beau des modèles cosmologiques

Après ces deux succès aussi triomphants l'un que l'autre, Einstein s'est tourné vers d'autres projets, et continue son inexorable ascension, obtenant même le Prix Nobel de Physique en 1921 suite à sa description de l'effet photo-électrique. Mais sa théorie, aussi grandiose soit elle, a encore besoin d'être mise à l'épreuve...

En mai 1919, une éclipse solaire visible par un grand nombre se déclare : l'occasion est parfaite pour confirmer et observer directement les effets de la lentille gravitationnelle. Ainsi, il s'est avéré que le Soleil avait bel et bien détourné la lumière provenant d'étoiles plus derrière et avait par conséquent changé leur position. Nouveau coup de tonnerre pour le physicien, qui a maîtrisé la science de l'Univers et nous a permis de mieux le comprendre. Son nom restera à jamais gravé dans les annales de l'histoire des sciences, de mêmes avec ses théories et la p
lus connue des équations scientifiques : e = mc² (qui précise que l'énergie nécessaire pour mettre un corps en mouvement est égale à sa masse multiplié par sa vitesse lumière au carré). La relativité est donc devenu une théorie, un modèle, une nouvelle branche de la physique et une opportunité de plus afin de mieux percer les mystères de notre Univers.... 

C'était tout pour cette initiation à la relativité, j'espère qu'elle vous aura plu ! Sur ce, je vous dis à bientôt pour de nouvelles découvertes et d'ici là, portez-vous bien ! 🚀