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la relativite
Histoire des notions de '' Force '', '' Inertie '' et '' Mouvement '', avant Einstein.
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Pour préparer la lecture de l'article : Physique – Un 'espace-temps' contre-intuitif ...
A mon avis, pour aborder et comprendre le concept d' Espace-Temps, et la Relativité ; il est nécessaire de se rappeler les notions - et leur histoire - de '' Force '', '' Inertie '' et '' Mouvement '', avant Einstein.
Antiquité : Les premières visions du mouvement et de la force
Aristote (~IVe siècle av. J.-C.) pensait que pour qu'un objet continue à se déplacer, une force devait être appliquée en permanence. Selon lui, tout objet tendait vers son "lieu naturel" et un mouvement stable nécessitait une poussée constante.
Le début de la Révolution scientifique : Galilée et l'inertie
Galilée (1564-1642) a remis en question la vision d'Aristote. Galilée a jeté les bases du concept d'inertie : bien avant Newton. Il a été un des premiers à comprendre que l'absence de force ne fait pas nécessairement s'arrêter un objet : c’est la présence de forces externes (comme le frottement ou la gravité) qui modifie ce mouvement. Il a imaginé un monde sans friction où un objet en mouvement continuerait indéfiniment.
Il a distingué la force nécessaire pour changer l'état de mouvement (accélération) de la résistance extérieure. Galilée a également formulé un principe de relativité pour les référentiels en mouvement uniforme, illustré par l'expérience de la cabine du navire : Une personne à l’intérieur d’un bateau en mouvement uniforme ne peut pas, par des expériences internes (ex. laisser tomber un objet : il ne tombe pas de biais...), déterminer si le bateau est en mouvement ou au repos.
Galilée démontre aussi que la vitesse d’un objet en chute ne dépend pas de sa masse mais de la force appliquée. Cette intuition du modèle aristotélicien est contredite ! Elle est contredite par une expérience de pensée... Cette idée anticipe déjà la relativité : il existe une loi unique et invariante pour tous les objets, et non des règles différentes selon leur nature.
La mécanique classique : Newton et les lois du mouvement
Isaac Newton (1643-1727) a formalisé la loi de l'inertie (1687), cela signifie qu'en l'absence de forces, un objet continuera de se déplacer indéfiniment avec une vitesse constante et dans une direction constante. Une force est nécessaire uniquement pour changer l'état de mouvement de l'objet. L'inertie est donc une propriété universelle, indépendante de la nature spécifique de l’objet, qui s'applique à tout ce qui a une masse. La masse est la mesure de l’inertie d’un objet.
Newton a défini la force comme ce qui provoque l'accélération d'un objet (F=ma). Il a également formulé la loi de la gravitation universelle, une force invisible agissant à distance entre les masses. Cependant, Newton croyait en un espace et un temps absolus et indépendants l’un de l’autre, un cadre de référence fixe pour décrire le mouvement.
Je vais répéter ceci pour bien envisager ce que cela signifie :
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Espace Absolu : L'espace, selon Newton, est un contenant immuable dans lequel tous les objets se déplacent. Il n'est pas affecté par la présence de la matière ou des objets en mouvement. C'est un cadre de référence universel, qui existe indépendamment de tout observateur, et indépendamment de la matière et des événements physiques.
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Temps Absolu : Le temps, pour Newton, est aussi une quantité universelle et continue, qui s'écoule uniformément pour tous les observateurs, indépendamment de leurs états de mouvement. Ce temps absolu était considéré comme un fil conducteur qui sert de mesure pour tous les événements, et il est le même pour tous. Il n'est pas affecté par les événements, et il s'écoule à un rythme constant, indépendamment de ce qui se passe dans le monde physique.
Le XIXe siècle : Les champs de force et la question de l'éther
Michael Faraday (1791-1867) a introduit l'idée de champs de force dans l'électromagnétisme, où des forces invisibles agissent à distance à travers des champs. James Clerk Maxwell (1831-1879) a unifié les lois de l'électricité et du magnétisme, montrant que les forces électromagnétiques sont liées à des champs électriques et magnétiques. Cela introduit une nouvelle perspective sur les forces, non pas comme des actions ponctuelles, mais comme des phénomènes continus dans l’espace.
La lumière étant considérée comme une onde, on supposait qu'elle se propageait dans un milieu appelé éther luminifère, ce qui impliquait l'existence d'un référentiel absolu.
L'expérience de Michelson-Morley (1887) n'a détecté - aucun mouvement de la Terre par rapport à cet éther, et - aucune différence de vitesse de la lumière selon la direction du mouvement terrestre. Remettant en cause l'existence et la notion de référentiel absolu, et qui signifiait que la vitesse de la lumière était la même dans toutes les directions, en contradiction avec la mécanique classique.
Lorentz et Poincaré : Vers les transformations relativistes
Hendrik Lorentz (1853-1928) a développé les transformations de Lorentz pour expliquer l'absence de mouvement par rapport à l'éther, en introduisant les idées de contraction des longueurs et de dilatation du temps. Elles fournissent un cadre mathématique cohérent.
Henri Poincaré (1854-1912) a introduit le principe de relativité généralisée et a suggéré que la vitesse de la lumière était une constante fondamentale.
* La notion de force a été particulièrement remise en question. Même pour Newton, la force constituait une difficulté majeure. La question se posait de savoir si la notion de force était réellement essentielle pour l'élaboration des théories physiques. Certains physiciens, même partisans d'une physique mécaniste, en étaient venus à définir la force comme un concept vide de contenu ontologique.
La force pourrait n'être plus vue comme une entité fondamentale, mais comme – une abstraction mathématique, un outil ( F=m*a) - un phénomène émergent d'interactions sous-jacentes à un niveau plus fondamental... ( théories des champs ou théories des cordes )
Très vite, nous avons compris qu'admettre qu'une ''force '' n'a pas besoin d'être visible pour exister ou pour avoir un impact réel sur le monde autour de nous. Admettre cela, c'est accepter que notre perception de l'univers ne se limite pas à ce que nous pouvons voir directement, mais aussi à ce que nous pouvons mesurer et comprendre à travers des théories et des expériences.
* Pour ce qui est du mouvement... On part d'un cadre dans lequel les objets de déplacent ; déplacement dans un temps continu et uniforme, de manière identique pour tous les observateurs, indépendamment de leur mouvement.
Temps et Espace sont à présent interdépendants, formant une structure à quatre dimensions : l'espace-temps. Le temps n'est plus absolu et universel. Il devient relatif, dépendant du mouvement de l’observateur. De même, l’espace n’est plus un cadre fixe et immuable, mais un espace dynamique qui peut se contracter ou se dilater selon la vitesse de l’observateur (dilatation du temps et contraction des longueurs).
Les transformations de Lorentz permettent de relier les coordonnées spatiales et temporelles d'un événement observé depuis un référentiel en mouvement par rapport à un autre. Plus précisément : si un événement est défini en termes de coordonnées spatiales et temporelles de l’un des observateurs, on peut calculer les coordonnées que l’autre observateur attribuerait à ce même événement.
Comme nous allons le voir dans l'article suivant : Physique – Un 'espace-temps' contre-intuitif ...
La Relativité d'Einstein.
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Le 17 août 1944, au micro de Radio-Paris, un speaker allemand annonce la victoire finale de l'Allemagne grâce à une arme secrète. L'après-midi, Radio-Paris cesse ses émissions.
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Chacun craint qu'une nouvelle arme redoutable ne sonne la fin du conflit.
Lancelot retrouve un ancien numéro de '' Science et Vie '' qui date de juin-juillet 1922. A l'intérieur un long article intitulé '' Les théories d'Einstein et leurs vérifications expérimentales ''. Cette revue était publiée à l'occasion de la visite d'Einstein au Collège de France du 28 mars au 10 avril 1922.
Surprise ! L'article est signé Léon Brillouin, que Lancelot avait rencontré à Vichy, quand il s'occupait de radio... ( c'est ici : 1940 – Vichy. 4 - Les légendes du Graal (over-blog.net)
Léon Brillouin est physicien et professeur au Collège de France, sa thèse et son intérêt se porte sur la mécanique quantique. A l'occasion de la visite d'Einstein, les salons de la capitales causent ''Relativité'' et chacun a bien du mal à comprendre ce dont il s'agit.
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Dans son rôle de vulgarisateur, Brillouin précise la question du référentiel. Il est impossible de définir une position ou un mouvement par rapport à un espace vide. Un référentiel est un objet A qui sert de référence. Un même objet B peut être à la fois immobile par rapport à un référentiel et en mouvement par rapport à un autre. Le référentiel est dit dit galiléen, si l'objet B est soit immobile, soit en mouvement de translation rectiligne uniforme par rapport à ce référentiel.
La question du Temps :
La trajectoire d'un objet en mouvement est donc différente selon le référentiel. ( ex : trajectoire d'une balle dans un train...). Einstein étend ce résultat aux phénomènes lumineux – avec le postulat de l'invariance de la vitesse de la lumière -
Newton (1687) définit un temps absolu qui est le même en tout point de l'Univers et indifférent au mouvement. En ''Relativité '' (1905) , le temps n'est plus absolu, il est relatif. Chaque objet a son temps propre, et deux objets après avoir synchronisé leur horloge, et après un mouvement peuvent présenter un décalage... !
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Einstein remplace l'hypothèse du temps absolu, par l'invariance de la vitesse de la lumière.
Le temps est relatif en ce sens qu'il est mesuré différemment par des observateurs en mouvement les uns par rapport aux autres, ou se situant dans des régions de l'univers où la concentration de masses est différente. Et, ce n'est pas seulement la notion de temps qui est revue de manière fondamentale par les théories relativistes, mais aussi la notion d'espace.
Le taux d'écoulement du temps dépend de la vitesse et de l’accélération à un instant T. Cela signifie que le taux auquel le temps s’écoule diminue à mesure que la vitesse augmente.
Ces différences de temps sont évidemment imperceptibles et négligeables dans la vie quotidienne mais prennent une grande importance lorsque la vitesse de l'observateur s'approche de celle de la lumière. Pour donner un ordre d'idée, en voyageant à 50% de la vitesse de la lumière, le temps se dilate d'un facteur 1,15. Il faut atteindre 86% de la vitesse de la lumière pour dilater le temps par 2, et 99,9% pour le dilater par 20. À l'extrême, à la vitesse de la lumière, le temps est infini.
L'espace et le temps absolus et uniformes de Newton n'ont plus de sens. Il faut parler d'un espace-temps dont la perception dépend de la vitesse.
La gravitation et la Relativité générale (1915) : en quelques mots...
Quand toute sorte d'objets '' chutent '' dans le vide, ensemble, ils semblent être en apesanteur : et leur accélération semble annuler la cause : la gravitation : ( c'est ce qui se passe avec les astronautes en ''apesanteur '' autour de la terre ; ils tombent bien, mais autour de la terre et non sur la terre).
On peut parler de principe d'équivalence, entre l'accélération et la gravitation.
Si la vitesse ralentit le temps, alors l'accélération et donc la gravité ralentissent aussi le temps. Einstein montre ainsi que le champ de gravité, que la matière engendre, retarde le cours du temps de celui qui s'y trouve par rapport à celui qui ne s'y trouve pas. Le temps s'écoule donc relativement plus lentement en bas de la tour Eiffel qu'au sommet (parce qu'en haut la gravité est plus faible, puisqu'on est plus loin de la Terre). Au sommet, la montre avance d'une microseconde par an.
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Avec Einstein, nous en concluons qu'il n'est pas nécessaire de penser la gravité comme une force agissant à distance (comme Newton le présumait).
Utilisons l'analogie suivante : une masse courbe l'espace-temps comme une boule de plomb qui serait posée sur un filet de trampoline. Dans ce cas, si on lance une bille de façon rectiligne, elle va être "attirée" par la boule de plomb et va tourner autour d'elle. La gravité n'est qu'une conséquence de la courbure le l'espace-temps. De la même façon, si la Terre attire la Lune, c'est parce qu'elle déforme l'espace dans lequel elle est plongée. En fait la trajectoire de la Lune n'est pas une ellipse mais une ligne droite dans un espace courbé par la présence de la Terre.
