Introduction
La relativité restreinte est l'un des piliers de la physique moderne, bouleversant la vision newtonienne de l'univers qui prévalait depuis plus de deux siècles. Elle naît de la nécessité de résoudre l'incompatibilité apparente entre la mécanique classique et les équations de l'électromagnétisme de Maxwell. En rejetant l'existence d'un référentiel absolu et d'un temps universel, Einstein propose un cadre où l'espace et le temps sont relatifs à l'état de mouvement de l'observateur, mais où les lois physiques et la vitesse de la lumière demeurent absolues.
Description
La théorie repose sur deux postulats fondamentaux. Premièrement, le principe de relativité : les lois de la physique sont les mêmes dans tous les référentiels inertiels (en mouvement rectiligne uniforme). Deuxièmement, l'invariance de la vitesse de la lumière : la vitesse de la lumière dans le vide (c ≈ 299 792 458 m/s) est la même pour tous les observateurs, quelle que soit la vitesse de la source lumineuse ou de l'observateur. De ces postulats découlent des conséquences contre-intuitives : la dilatation du temps (le temps s'écoule plus lentement pour un observateur en mouvement rapide), la contraction des longueurs (les objets en mouvement se contractent dans la direction de leur mouvement), et la relativité de la simultanéité (deux événements simultanés pour un observateur peuvent ne pas l'être pour un autre en mouvement). La théorie aboutit également à la fameuse équation E=mc², exprimant l'équivalence entre la masse et l'énergie.
Histoire
La théorie fut publiée par Albert Einstein en 1905 dans son article 'Sur l'électrodynamique des corps en mouvement'. Ce travail, souvent appelé 'l'Annus Mirabilis', résolvait les paradoxes soulevés par l'expérience de Michelson-Morley (1887), qui avait échoué à détecter l'éther, le milieu supposé nécessaire à la propagation de la lumière. Einstein n'était pas au courant des détails de cette expérience, mais s'appuyait sur des considérations théoriques d'élégance et de symétrie. Les idées d'Henri Poincaré et de Hendrik Lorentz sur la transformation des coordonnées ont également joué un rôle crucial dans son élaboration. La théorie fut d'abord accueillie avec scepticisme, mais fut progressivement confirmée par des expériences comme celle de l'effet Doppler-Fizeau ou la désintégration des muons dans l'atmosphère.
Caracteristiques
Les caractéristiques clés incluent : le continuum espace-temps à 4 dimensions (3 d'espace, 1 de temps) ; les transformations de Lorentz, qui remplacent les transformations de Galilée pour relier les mesures entre référentiels en mouvement ; l'invariance de l'intervalle d'espace-temps, une quantité qui reste constante pour tous les observateurs ; la structure causale de l'univers, divisée en cône de lumière passé, futur et régions non connectables causalement ; et la limite de vitesse universelle 'c', infranchissable pour tout objet possédant une masse au repos. La masse n'est plus une quantité invariante, mais dépend de la vitesse, tendant vers l'infini lorsque la vitesse approche 'c'.
Importance
L'importance de la relativité restreinte est immense. Elle constitue la base théorique de toute la physique des hautes énergies et des particules. Elle est indispensable au fonctionnement des accélérateurs de particules comme le LHC, où les effets relativistes sont dominants. L'équation E=mc² explique l'origine de l'énergie des étoiles (fusion nucléaire) et est à la base de la physique nucléaire et de ses applications (énergie, médecine). La théorie est également cruciale pour les systèmes de positionnement par satellite (GPS), qui doivent corriger les effets de dilatation du temps dus à leur vitesse et à la gravité (ce dernier relevant de la relativité générale). Philosophiquement, elle a profondément changé notre conception de la réalité, montrant que l'espace et le temps ne sont pas des scènes fixes mais des entités dynamiques et entrelacées.
