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5.1 : Prélude à la relativité

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    La théorie spéciale de la relativité a été proposée en 1905 par Albert Einstein (1879-1955). Il décrit comment le temps, l'espace et les phénomènes physiques apparaissent dans différents cadres de référence qui se déplacent à vitesse constante les uns par rapport aux autres. Cela diffère des travaux ultérieurs d'Einstein sur la relativité générale, qui traitent de n'importe quel cadre de référence, y compris les cadres accélérés.

    Illustration d'un satellite GPS
    Figure\(\PageIndex{1}\) : La relativité spéciale explique comment le temps passe légèrement différemment sur Terre et au sein du satellite de positionnement mondial (GPS) qui se déplace rapidement. Les unités GPS des véhicules ne pouvaient pas trouver leur position correcte sur Terre sans tenir compte de cette correction. (crédit : USAF)

    La théorie de la relativité a profondément modifié la façon dont nous percevons l'espace et le temps. Les règles du « bon sens » que nous utilisons pour relier les mesures spatiales et temporelles dans la vision du monde newtonienne diffèrent sérieusement des règles correctes à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Par exemple, la théorie spéciale de la relativité nous indique que les mesures de la longueur et des intervalles de temps ne sont pas les mêmes dans les cadres de référence qui se déplacent les uns par rapport aux autres. On peut observer qu'une particule a une durée de vie de 2 m\(1.0×10^{−8}s\) dans un cadre de référence, mais une durée de vie de 3 m\(2.0×10^{−8}s\) dans un autre cadre ; et un objet peut être mesuré comme ayant une longueur de 2 m dans un cadre et de 3 m de long dans un autre cadre. Ces effets ne sont généralement significatifs qu'à des vitesses comparables à la vitesse de la lumière, mais même aux vitesses beaucoup plus faibles du satellite de positionnement mondial, qui nécessite des mesures temporelles extrêmement précises pour fonctionner, les différentes longueurs d'une même distance dans différents repères sont significatives suffisamment pour qu'ils soient pris en compte.

    Contrairement à la mécanique newtonienne, qui décrit le mouvement des particules, ou aux équations de Maxwell, qui précisent le comportement du champ électromagnétique, la relativité spéciale n'est pas limitée à un type de phénomène particulier. Au contraire, ses règles sur l'espace et le temps affectent toutes les théories physiques fondamentales.

    Les modifications de la mécanique newtonienne en relativité spéciale n'invalident pas la mécanique newtonienne classique et ne nécessitent pas son remplacement. Au contraire, les équations de la mécanique relativiste diffèrent significativement de celles de la mécanique newtonienne classique uniquement pour les objets se déplaçant à des vitesses relativistes (c'est-à-dire des vitesses inférieures mais comparables à la vitesse de la lumière). Dans le monde macroscopique que vous rencontrez dans votre vie quotidienne, les équations relativistes se réduisent à des équations classiques, et les prédictions de la mécanique newtonienne classique concordent suffisamment avec les résultats expérimentaux pour ne pas tenir compte des corrections relativistes.