401PYos 2006-2007. Cours de physique. Questions posées et réponses apportées sur le chapitre de la relativité restreinte.
A la fin du XIXe siècle, l’électromagnétisme semblait imposer l’existence d’un milieu, appelé éther, dans lequel se propageait les ondes électromagnétiques et en particulier la lumière. Albert Abraham Michelson et Edward Williams Morley conçurent en 1887 une expérience [1] pour tenter de détecter le mouvement de la Terre par rapport à ce milieu. Cette expérience ne permit pas de mettre en évidence une différence de vitesse de propagation d’un signal lumineux selon sa direction de propagation.
George Francis Fitzgerald et Hendrik Antoon Lorentz proposèrent dès 1889 l’explication suivante pour rendre compte des résultats négatifs de l’expérience de Michelson et Morley : tout corps se mouvant dans l’éther serait raccourci par un facteur qui dépend de la vitesse du corps par rapport à l’éther. Ce facteur devant tendre vers 0 lorsque cette vitesse tend vers la vitesse de la lumière.
Henri Poincaré considérait plutôt que l’éther en mouvement relatif se modifiait et ne transmettait pas la lumière de la même façon dans toutes les directions. En 1904 il envisageait une nouvelle mécanique dans laquelle aucune vitesse ne serait supérieure à celle de la lumière. En 1905 il donnait la structure mathématique qui permettait de passer d’un système de référence à un autre qu’il baptisait transformation de Lorentz.
En 1905 Einstein proposa une théorie radicalement nouvelle et fondée uniquement sur deux postulats. Cette théorie élimine l’éther et unifie l’espace et le temps. Elle malmène la notion de simultanéité en introduisant différents temps : le temps propre lié au corps en mouvement et des temps « impropres » liés aux différents observateurs.
Le temps n’est pas universel : évidences expérimentales
– les noyaux du phosphore 30 par exemple se désintègrent avec une demi-vie de deux minutes et demie. Cela signifie qu’un physicien, dans son laboratoire, verra la moitié d’une quantité donnée de ce produit se transmuter en une autre espèce (un isotope) en deux minutes et demie. Mais si ces noyaux se propagent dans un synchrotron à une vitesse de quelque 260 000 km/s, ce n’est qu’au bout de cinq minutes, pour le chronomètre du physicien demeuré immobile, que la moitié des noyaux se seront désintégrés
– les muons présents dans les rayons cosmiques qui bombardent sans arrêt la Terre avec des vitesses voisines de la vitesse de la lumière ont bien le comportement prédit par la cinématique relativiste : au lieu que la moitié d’entre eux se désintègrent pendant les six cents premiers mètres, ils parviennent à parcourir 60 km avant de se désintégrer spontanément.
Pour illustrer le déplacement des franges d’interférence que l’expérience de Michelson et Morley devait mettre en évidence, voir :
– Superposition of Waves from Wolfram Demonstrations Project
– Wave Interference from Wolfram Demonstrations Project
