De l'électrodynamique des corps en mouvement

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Albert Einstein dans son bureau à l'université Humboldt de Berlin en 1920.

De l'électrodynamique des corps en mouvement est un article d'Albert Einstein publié sous le titre « Zur Elektrodynamik bewegter Körper » en septembre 1905 par le journal Annalen der Physik. Ces trente pages sont célèbres en physique[1] car elles posent les bases théoriques de ce qui sera appelé la « relativité restreinte », l'une des théories majeures de la physique du XXe siècle. Plusieurs savants ont publié des articles et des ouvrages qui annoncent cette théorie, notamment Henri Poincaré et Hendrik Lorentz[2], mais aucun scientifique de premier plan n'est parvenu à écarter la notion d'éther luminifère. Einstein, cherchant à généraliser le principe de relativité galiléenne[note 1] et cherchant des réponses à ses réflexions sur l'observation de la lumière, préfère mettre de l'avant deux postulats : (1) « Toutes les lois de la physique doivent être les mêmes pour tous les observateurs se déplaçant à vitesse constante les uns par rapport aux autres[4]. » et (2) « La vitesse de la lumière doit être la même pour tous les observateurs inertiels, quels que soient leur mouvement relatif[4]. »

Contexte[modifier | modifier le code]

« Dans la vision newtonienne du monde, l'espace et le temps étaient absolus et indépendants des évènements qui s'y jouent. Par la suite, Einstein fit subir à ces concepts une transformation (dont la radicalité est occultée par le fait qu'ils conservent le même nom), mettant en relation l'espace et le temps avec les évènements qui s'y produisent[5]. »

— John Barrow, 1996

Portrait de Galilée vers 1605.

Les travaux en dynamique de l'Italien Galilée (1564-1642) le mènent à la découverte du principe de la relativité galiléenne qui affirme qu'il est impossible de dire, sur la base d'expériences mécaniques réalisées à l'intérieur d'un système, si celui-ci est immobile ou suit un mouvement rectiligne uniforme[6]. Dans son Dialogue, le savant affirme en effet qu'il « n'y a pas de repère absolu. Tout mouvement intervient par rapport à un référentiel choisi ». Ses adversaires, profitant de meilleures données astronomiques, lui opposent des calculs démontrant la validité du géocentrisme[7]. Le savant, sévèrement critiqué à cause de son appui à l'héliocentrisme, voit donc sa théorie rejetée[8].

Vers 1784, le physicien anglais John Michell imagine que la lumière, composée de corpuscules selon la théorie contemporaine, peut être ralentie près d'étoiles massives[9]. Les scientifiques pensent donc que la vitesse de la lumière peut s'additionner à celle de la source émettrice. Le physicien français François Arago, en 1806 puis en 1809-1810, tente de déterminer si cette vitesse varie en observant la lumière en provenance d'étoiles lointaines, puisque la Terre s'en rapproche et s'en éloigne pendant son parcours autour du Soleil. Il ne trouve aucune différence, ce qui l'amène à préférer la théorie ondulatoire du physicien français Augustin Fresnel au détriment de la théorie corpusculaire d'Isaac Newton. Cependant, Arago demande pourquoi son expérience échoue à mettre en évidence une différence dans la vitesse de la lumière. Fresnel réplique que la Terre entraîne partiellement un éther[10] (il reprend donc une hypothèse de Christian Huygens[11]). Cette hypothèse est cependant jugée peu convaincante[10]. En effet, l'« éther supposé est milieu matériel. Il est complexe, doué de propriétés bizarres »[12]. La matière, l'espace et le temps présenteraient une « caractéristique étrange » et inconnue qui explique le « comportement insolite » de l'éther[13].

Vers le milieu du XIXe siècle, le physicien écossais James Clerk Maxwell, après avoir étudié les expériences menées par le physicien et chimiste britannique Michael Faraday, démontre que la lumière est constituée d'ondes électromagnétiques[14]. « L'étonnant formalisme de Maxwell [permet] de prédire l'existence d'ondes électromagnétiques se propageant dans l'espace à la vitesse de la lumière, soit  », où μ0 est la perméabilité magnétique et ε0 est la permittivité du vide[15].

Article détaillé : Équations de Maxwell.

Selon le physicien britannique Lord Kelvin en 1892, la « physique est définitivement constituée dans ces concepts fondamentaux ; tout ce qu’elle peut désormais apporter, c’est la détermination précise de quelques décimales supplémentaires. Il y a bien deux petits problèmes : celui du résultat négatif de l’expérience de Michelson et celui du corps noir, mais ils seront rapidement résolus et n’altèrent en rien notre confiance[16]. » L'expérience de Morley et deux tentatives ultérieures plus précises, notamment l'expérience de Michelson et Morley (dont les résultats sont publiés en 1887[17]), ne parviennent pas à mettre en évidence l'éther luminifère[18]. Le problème du corps noir sera étudié par le physicien allemand Max Planck, qui découvrira la quantification des interactions électromagnétiques, l'un des fondements de la physique quantique[19].

En 1892, le physicien néerlandais Hendrik Lorentz essaie d'expliquer les résultats négatifs de l'expérience de Michelson et Morley en proposant que les corps en mouvement se contractent dans la direction du mouvement (le physicien irlandais George FitzGerald a déjà posé une telle hypothèse en 1889)[20]. En 1892 et 1895, le chercheur tente d'expliquer les phénomènes électromagnétiques issus des référentiels inertiels et qui se déplacent dans l'éther luminifère[21],[22]. Il découvre que le passage d'un référentiel à un autre référentiel inertiel est simplifié s'il fait usage d'une nouvelle variable qu'il appelle « temps local »[23], qui dépend à la fois d'un temps dit universel et du lieu étudié. Le chercheur est ainsi capable d'expliquer l'aberration de la lumière et les résultats de l'expérience de Fizeau. Dans ses publications, il ne tente pas de donner un sens physique à ce temps local[24].

Article détaillé : Théorie de l'éther de Lorentz.

En 1900 et 1904, le mathématicien et physicien français Henri Poincaré utilise le temps local de Lorentz pour montrer que deux horloges dans deux référentiels en mouvement peuvent être synchronisées par échanges de signaux lumineux qui se déplacent par hypothèse à la même vitesse, peu importe celle des référentiels[25],[26]. En 1899 et encore en 1904, Lorentz avance que le temps se dilate pour les corps en mouvement, ce qui l'amène à publier ce qu'Henri Poincaré appelle en 1905 les « transformations de Lorentz »[27],[28]. Dans son article de 1904, Lorentz montre que les résultats des expériences électrodynamiques ne dépendent pas du mouvement relatif du milieu qui sert de référence (pourtant, 15 ans plus tard, il donnera encore du crédit à l'hypothèse d'un espace absolu[29] et à l'hypothèse de l'éther[13]).

D'autres chercheurs tentent de réconcilier la théorie newtonienne des corps en mouvement avec les expériences[30]. Au début du XXe siècle, les scientifiques observent en effet plusieurs incohérences entre les expériences et la théorie couramment acceptée :

  • Selon les Principia Mathematica d'Isaac Newton, il existe un espace absolu et un temps absolu. Même si ces deux notions sont critiquées par le philosophe irlandais George Berkeley (1685-1753), le scientifique allemand Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) ainsi que le physicien et philosophe allemand Ernst Mach (1838-1916), elles seront élevés au « rang de dogme scientifique ». Newton tire plusieurs conséquences des lois de son système, dont : « Les mouvements relatifs des corps se trouvant dans un [véhicule] donné sont les mêmes, que ce [véhicule] soit immobile ou animé d'un mouvement uniforme. » Pourtant, « ni le repos ni le mouvement uniforme » ne sont absolus selon les lois de Newton[31].
  • Le théorème d'addition des vitesses de Galilée n'est pas valide en ce qui concerne la vitesse de la lumière. Cette dernière est toujours la même, peu importe la vitesse de la source lumineuse[32],[33].
  • « La théorie de Maxwell fait une distinction injustifiée entre repos et mouvement. » Par exemple, supposons qu'un aimant se trouve à proximité d'une bobine de fil conducteur. Si l'aimant est déplacé, un courant électrique circule dans le fil immobile. Si c'est plutôt la bobine qui est déplacée, elle sera aussi le siège d'un courant électrique. Dans les deux cas, la théorie de Maxwell fournit une « excellente explication », mais selon deux approches physiques différentes même si le courant électrique est le même[3].
  • « Une autre asymétrie peut être relevée : l'action des charges électriques est décrite par les lois de l'électrostatique dans un référentiel « au repos » et par les lois de l'électrodynamique dans un système considéré en mouvement rectiligne uniforme par rapport à un autre. Une telle différence de description est injustifiée[34]. »
  • Si la loi d'addition des vitesses galiléenne s'appliquait à la lumière dans le vide, alors la loi de Coulomb en électrostatique et la loi de Biot et Savart devraient être modifiées lorsqu'un fil libre de courant électrique est déplacé. En effet, ce fil exerce à ce moment une force électromagnétique, ce que ne peuvent expliquer les deux lois inchangées. Si elles étaient modifiées, il serait nécessaire que la perméabilité magnétique0), la permittivité du vide0) ou les deux varient. Elles sont pourtant constantes dans le cadre des lois de l'électromagnétisme de Maxwell[35].
  • Aucune expérience n'a pu mettre en évidence l'éther, milieu de propagation pourtant jugé essentiel pour le déplacement des ondes électromagnétiques[36].
Portrait d'Albert Einstein réalisé par Max Liebermann en 1925.

En 1905, Albert Einstein a 26 ans. Employé au service des brevets à Berne en Suisse, il est inconnu du « Gotha » scientifique[8]. Il a lu La Valeur de la Science (qui discute de la mesure du temps et de la notion d'espace[37]) et La Science et l'Hypothèse (dans lequel il est notamment discuté de géométrie non euclidienne et de simultanéité[38]) d'Henri Poincaré, ouvrages qui l'ont probablement influencé[39]. Il ne cherche pas explicitement à réconcilier la théorie avec les incohérences observées. En effet, depuis l'âge de seize ans, il cherche plutôt une réponse à cette question : « Que verrait-on si l'on prenait en chasse un rayon lumineux à la vitesse de la lumière ? »[note 2] Par un raisonnement intuitif s'inscrivant dans le cadre de la mécanique de Newton, « chacun dirait qu'en allant à la même vitesse que la lumière nous la verrions immobile ». Cependant, la théorie de Maxwell et « toutes les observations depuis lors » indiquent que la lumière n'est jamais immobile et donc qu'aucun observateur, peu importe sa vitesse, ne peut voir de la lumière immobile[45],[46]. Par ailleurs, il « s'appuie sur les idées de Galilée, mais les étend beaucoup, beaucoup plus loin[8]. » Par exemple, il découvre que la relativité galiléenne est vraie parce que la vitesse de la lumière est constante[47]. En 1952, il écrit : « Ce qui m'a amené plus ou moins directement à la théorie de la relativité restreinte était la conviction que la force électromotrice qui agit sur un corps se déplaçant dans un champ magnétique n'est rien d'autre qu'un champ électrique[trad 1],[48],[49],[50]. »

Ignorant que les plus grands chercheurs de l'époque essaient en vain d'éliminer les incohérences entre les observations et la théorie, Einstein met au point ce qui sera appelée la relativité restreinte[45],[46],[note 3]. En avril et mai 1905, pendant cinq semaines de travail intense, il donne corps à ses idées[52]. En juin 1905, il fait parvenir « Zur Elektrodynamik bewegter Körper » à Annalen der Physik, revue de physique rédigée en allemand. « À la lecture du manuscrit d'Einstein, Max Planck, alors directeur de la revue, réalise que les critères scientifiques d'acceptation pour publication sont largement surpassés : [Einstein fait] voler en éclats les notions traditionnelles de l'espace et du temps pour les remplacer par de nouveaux concepts aux propriétés totalement contraires au sens commun[53]. » En septembre de la même année, la revue publie[54],[55] « son article fondateur de 1905 sur la relativité »[56].

Article détaillé : Relativité restreinte.

Publications et traductions[modifier | modifier le code]

« La théorie de la relativité est née de la nécessité, des contradictions graves et profondes que présentait l'ancienne théorie et auxquelles il ne paraissait pas y avoir d'issue. La force de la nouvelle théorie réside dans la logique et la simplicité avec lesquelles elle résout toutes ces difficultés, en se servant seulement d'un petit nombre de suppositions convaincantes[57]. »

— Albert Einstein et Leopold Infeld

L'article en allemand, dont le titre est « Zur Elektrodynamik bewegter Körper », compte 30 pages[54]. Son titre est traduit en français par « De l'électrodynamique des corps en mouvement »[58], « Sur l'électrodynamique des corps en mouvement »[59], « L'Électrodynamique des corps en mouvement »[60] ou « À propos de l'électrodynamique des corps en mouvement »[61].

L'article original d'Albert Einstein, publié pour la première fois en 1905, est diffusé en 2012 par l'université d'Augsbourg, en Allemagne, sous la forme d'images dans un fichier au format PDF[54]. Wikilivres, site Web exploité au Canada, propose une retranscription de l'article au format électronique (dans lequel on peut donc rechercher), sans en corriger quoi que ce soit[62]. Wikibooks en allemand publie aussi le même article sous la forme d'images, des contributeurs ayant commenté l'article, ajouté des schémas pour faciliter la compréhension et corrigé certaines équations[63].

Photo en noir et blanc montrant trois hommes assis.
De gauche à droite : Conrad Habicht, Maurice Solovine et Albert Einstein vers 1903.

L'astrophysicien indien Meghnad Saha a traduit en anglais l'article sous le titre On the Electrodynamics of Moving Bodies, publié en 1920 par l'université de Calcutta en Inde. Il est retranscrit en wikitexte dans la Wikisource en anglais[64]. L'article de Saha a été retranscrit une deuxième fois en wikitexte dans la Wikisource en anglais[65]. Une autre traduction en anglais, par W. Perrett et G. B. Jeffery, a été publiée en 1923 par Methuen and Company, Ltd. à Londres. Elle a été mise en ligne en novembre 1999 par le physicien américain John Walker. Ce dernier y a apporté plusieurs modifications, toutes expliquées[66]. Une traduction en anglais de l'article se trouve dans un ouvrage publié en 1932[67]. Princeton University Press publie un copie numérique de l'article sous la forme d'images[68].

Une traduction en français, due au mathématicien roumain Maurice Solovine, a été publiée sous le titre « Sur l'électrodynamique des corps en mouvement » par Gauthier-Villars en 1925 et en 1965[69], puis rééditée en 1994 par Éditions Jacques Gabay[70], ainsi qu'en 2005[71]. Une autre traduction en français, due à l'astrophysicien français Marc Lachièze-Rey, a été publiée en français en 2003 chez Dunod sous le titre « Sur l'électrodynamique des corps en mouvement »[72].

L'article a aussi été traduit en italien sous le titre L’elettrodinamica dei corpi in movimento[73],[74].

Composition[modifier | modifier le code]

Wolfgang Pauli dans ses jeunes années.

André Rouge, dans un ouvrage publié en 2009, discute de l'article et cite notamment Wolfgang Pauli[75] :

« On pouvait parvenir [à la Relativité] par deux chemins. D'abord, on pouvait rechercher, d'une façon purement mathématique, quel est le groupe de transformations le plus général sous l'action duquel les équations, alors bien connues, de l'électrodynamique de Maxwell-Lorentz gardent leur forme. C'est le chemin qu'a suivi le mathématicien H. Poincaré. Ou bien l'on pouvait examiner d'un œil critique les hypothèses physiques qui ont conduit au groupe particulier de la mécanique de Galilée et Newton. Cette dernière voie a été empruntée par Einstein. »

Dans la traduction publiée en 1925 chez Gauthier-Villars, Maurice Solovine donne cette table des matières[60] :

«  Introduction
I) Partie cinématique
1o) Définition de la simultanéité
2o) Sur la relativité des longueurs et du temps
3o) Théorie de la transformation des coordonnées et du temps du système au repos à un autre en mouvement de translation uniforme relativement au premier
4o) Signification physique des équations obtenues, pour ce qui est des corps rigides et des horloges en mouvement
5o) Théorème d'addition des vitesses
II) Partie électrodynamique
6o) Transformations des équations de Maxwell-Hertz dans l'espace vide. Sur la nature des forces électromotrices apparaissant lors du mouvement dans un champ magnétique
7o) Théorie du principe de Doppler et de l'aberration
8o) Transformation de l'énergie des rayons lumineux. Théorie de la pression de radiation exercée sur un miroir parfait
9o) Transformations des équations de Maxwell-Hertz en tenant compte des courants de convection
10o) Dynamique de l'électron (lentement accéléré) »

Dans l'article, Einstein utilise pour la vitesse de la lumière, symbole remplacé aujourd'hui par .

Dans l'introduction, Einstein ne mentionne pas explicitement l'expérience de Michelson et Morley[76], ni aucun article de Poincaré ou Lorentz[77], mais expose certains défauts des théories électromagnétiques contemporaines[78]. Le savant abandonne la notion d'éther[79],[3],[80] (il signale qu'il « ne fait aucun usage d'un espace absolu au repos »[81]) et applique deux postulats : (1) « Toutes les lois de la physique doivent être les mêmes pour tous les observateurs se déplaçant à vitesse constante les uns par rapport aux autres. En conséquence, elles auront la même forme mathématique pour tous ces observateurs. Cela équivaut à reconnaître l'impossibilité de détecter le mouvement uniforme absolu. (Nous présumons qu'il existe des référentiels privilégiés, appelés systèmes inertiels, dans lesquels les corps exempts de toute contrainte n'accélèrent pas[82].) » et (2) « La vitesse de la lumière dans le vide est la même pour tous les observateurs inertiels[82]. » Le chercheur fait implicitement d'autres hypothèses : (a) l'espace est homogène, (b) l'espace est isotrope et (c) la causalité est toujours respectée[83].

Il porte ensuite son intérêt sur la notion de simultanéité, mentionnant que s'il était possible de transmettre l'information à une vitesse infinie, il serait toujours possible de parfaitement synchroniser deux horloges de deux référentiels distincts. Cependant, il n'existe aucun moyen de transmettre une information plus rapidement que la vitesse de la lumière. Même si elle énorme, il y aura toujours un délai pour qu'un signal lumineux d'un référentiel rejoigne l'autre référentiel, ce qui interdit donc que deux systèmes soient parfaitement synchronisés, c'est-à-dire qu'ils affichent exactement le même temps[84],[85]. Il montre « que les relations entre coordonnées spatiales et temporelles sont plus complexes que celles de la physique galiléenne, au point qu'il [est] pertinent d'introduire le terme d'espace-temps [...][86] » Selon le physicien John Moffat, dans « l'espace-temps d'Einstein, la simultanéité de deux évènements est un concept relatif, qui dépend du mouvement de l'observateur[87]. » Cependant, note le physicien Brian Greene, « la théorie introduit un nouveau concept majestueusement absolu : l’espace-temps [... qui] est aussi absolu en relativité restreinte que l'espace et le temps l'étaient pour Newton[88]. » Donc, « en relativité, tout n'est pas relatif[89]. » Dans son article, Einstein imagine des observateurs et un train en marche. À cause de l'invariance de la vitesse de la lumière, « la distance parcourue durant 1 seconde par [un] voyageur qui marche dans le train n'est pas la même suivant qu'elle est mesurée dans le train ou sur le quai[44]. »

Comme George FitzGerald et Hendrik Lorentz, il prédit qu'un bâton ou une règle se contracte dans la direction de son mouvement. De plus, Einstein affirme que les horloges ralentissent lorsqu'elles se déplacent[90]. Si elles se déplacent à des vitesses différentes, leur temps propre s'écoule différemment. Supposons deux expérimentateurs qui sont chacun pourvu d'une horloge identique. S'ils se déplacent à une vitesse différente, en mouvement relatif dans le jargon de la physique, ils sont incapables de s'entendre sur le moment où un évènement précis a eu lieu[91]. « Les propriétés de l'espace et du temps dépendent donc des propriétés des horloges et des règles[trad 2],[92]. » Grâce à sa théorie, Einstein « dérive indépendamment la loi de transformation avec laquelle les équations de champ électromagnétique de Maxwell demeurent invariantes lors du passage d'un référentiel inertiel à un autre[77]. » John Moffat poursuit : « Ces transformations à partir d'un référentiel inertiel en déplacement uniforme vers un autre sont à la base des équations mathématiques qui forment la relativité restreinte. Dès lors qu'Einstein postule ces transformations ainsi que la nature absolue et constante de la vitesse de la lumière, toutes les conséquences sur la physique de l'espace-temps en relativité restreinte lui apparaissent dans un ordre logique. Plus particulièrement, il devient alors capable de dériver la généralisation de la mécanique newtonienne et les équations correctes pour le mouvement des particules matérielles »[77].

C'est dans cet article qu'apparaît pour la première fois ce qui sera appelé le « paradoxe des jumeaux », mais Einstein utilise plutôt des horloges, parfaitement synchronisées au début de l'expérience de pensée, pour comparer la dilatation du temps que subit un corps qui se déplace plus rapidement qu'un autre[93].

Article détaillé : Paradoxe des jumeaux.

À la fin de l'article, il remercie son ami Michele Besso pour son « assistance loyale » et ses « nombreuses et précieuses suggestions »[94]. L'article ne contient aucune bibliographie[54], Einstein mentionne seulement cinq scientifiques, soit Isaac Newton, James Clerk Maxwell, Heinrich Hertz, Christian Doppler et Hendrik Lorentz[95]. L'article ne prend pas en compte la gravitation[96] ; elle sera introduite dans la relativité générale, théorie qu'Einstein élabore de 1907 à 1915[97] en collaboration avec les mathématiciens Marcel Grossmann, Tullio Levi-Civita et David Hilbert[98],[99].

Critiques[modifier | modifier le code]

Selon l'astrophysicien Kip Thorne[100] :

« Les nouvelles fondations posées par Einstein consistaient en deux principes fondamentaux :

  • Le principe du caractère absolu de la vitesse de la lumière : quelle que soit leur nature, l'espace et le temps doivent être constitués de manière à rendre la vitesse de la lumière identique dans toutes les directions et absolument indépendante du mouvement de la personne qui la mesure.

Ce principe est une affirmation retentissante que l'expérience de Michelson et Morley était correcte [...]

  • Le principe de relativité : quelle que soit leur nature, les lois de la physique doivent traiter tous les états de mouvement sur un pied d'égalité.

Ce principe est un rejet retentissant de l'espace absolu : si les lois de la physique ne traitaient pas tous les états de mouvement [...] de façon équivalente, les physiciens pourraient choisir un état « préféré » de mouvement [...] et le définir comme un état de « repos absolu ». L'espace absolu, chassé par la porte, serait rentré par la fenêtre. »

Selon le physicien Bernard Maitte[34], l'« électrodynamique souffre [...] des mêmes défauts que la mécanique : elle veut être absolue sans pouvoir l'être [...] Einstein saute le pas [...] on ne peut mettre en évidence le repos absolu ? Il faut poser comme principe qu'il est impossible de le définir. -- c'est le principe de relativité. On ne peut mettre en évidence de différence quant à la valeur de la vitesse de la lumière ? Il faut poser comme principe l'invariance de cette vitesse. [...] L'éther ne peut être mis en évidence ? Il faut le rejeter. [...] Cette triple attitude permet à Einstein de s'interroger sur la notion de simultanéité et de déduire que le temps et les longueurs ne sont pas absolus mais relatifs au système de coordonnées : par rapport à un référentiel, les longueurs et les temps d'un autre système se contractent dans le sens du mouvement, ils se dilatent dans le sens opposé au mouvement. [...] Einstein intègre les transformations de Lorentz dans un cadre théorique qui les explique et les généralise [...] » Toujours selon Maitte, cette théorie d'Einstein élimine les contradictions de la théorie de Maxwell, il n'y a plus de raison de traiter différemment les circuits et les aimants, peu importe qu'ils soient au repos ou en mouvement[101]. Le physicien Michel Paty tire les mêmes conclusions[102].

Les physiciens américains John Wheeler et Edwin F. Taylor précisent un aspect de la théorie :

« [Le principe de relativité] n'indique pas que la durée entre les évènements A et B sont les mêmes lorsqu'ils sont mesurés de deux référentiels inertiels distincts. Non plus que la distance spatiale entre les deux évènements est la même dans deux référentiels. Ni les temps ni les distances sont habituellement les mêmes dans deux référentiels [...] la quantité de mouvement d'une particule dans un référentiel est différente de la valeur observée dans un second référentiel. Même le taux de changement temporel de la quantité de mouvement est habituellement différente d'une référentiel à un autre. De même pour une même force [...] Cependant, la physique qui apparaît si différente d'un référentiel à un autre est cependant la même dans les deux référentiels ! Les quantités physiques diffèrent en valeur entre deux référentiels mais obéissent aux mêmes lois[trad 3],[103]. »

Selon André Rouge, « même si la construction de la cinématique n'utilise que le principe de relativité et la constance de la vitesse de la lumière, les bases de sa théorie comprennent les équations de Maxwell-Hertz. Elles sont en cela très voisines de celles de Poincaré [...] et des équations de Maxwell-Lorentz[78]. » Germain Rousseaux écrit que, grâce « à une analyse cinématique des concepts de temps et d'espace, [Einstein] a déduit les transformations de Poincaré-Lorentz et a appliqué celles-ci au jeu complet des équations de Maxwell. La covariance de ces dernières équations lui a alors permis de déduire les transformations du champ électromagnétique correspondantes afin d'éliminer l'asymétrie de la loi d'induction [...][56] » Selon le physicien Théo Kahan, c'est

« ce qu'apporte donc Einstein en 1905, de radicalement nouveau, c'est d'avoir clairement réalisé que, d'une part, l'invariance relativiste transcendait ses relations avec l'électrodynamique des corps au repos de Maxwell et avec l'électromagnétisme des corps en mouvement de Hertz et Lorentz, et s'imposait ainsi, à titre de condition universelle et préalable, à toute théorie physique présente et à venir ; et que, d'autre part, la nouvelle mécanique ainsi inaugurée touchait à la nature profonde de l'espace et du temps, en rupture totale avec les concepts de l'espace et du temps absolu de Newton[104]. »

Une « grande partie des milieux scientifiques a, plus ou moins longtemps, refusé la nouvelle théorie[105]. » Le grand physicien français Paul Langevin est l'un des « rares Français » du début du siècle à défendre la relativité d'Einstein[106]. « Diverses réserves ont toutefois été progressivement éliminées par plusieurs confirmations expérimentales[105]. » « La relation entre la quantité de mouvement et la vitesse [est] l'une des premières prédictions relativistes confirmées expérimentalement[107]. » En 1908, des expériences plus précises laissent croire que l'éther existe. Einstein, lorsqu'il apprend ces rumeurs, ne s'émeut pas outre mesure et déclare : « Notre Seigneur est subtil, mais Il n'est pas cruel. » Quelque temps plus tard, les expériences se révèlent fautives, ce qui sonne le glas de l'éther[108]. Selon Robert Resnick en 1968, le « succès de sa théorie peut seulement être évalué par l'expérience. Non seulement elle explique tous les résultats expérimentaux, mais elle a prédit de nouveaux effets, confirmés par des expériences ultérieures. Aucune objection expérimentale n'a encore pu être opposée à la théorie de la relativité restreinte d'Einstein[trad 4],[109]. » L'expérience de Hafele et Keating, réalisée en 1972[110], est une « preuve expérimentale directe » de la dilatation du temps[111]. « Conformément aux prédictions de la relativité, les muons en mouvement vivent environ 30 fois plus longtemps que les muons stationnaires[112]. » Selon Brian Greene en 2005, « des milliers d'expérience menées avec soin durant les cent dernières années [...] ont toutes mesurées la vitesse de la lumière avec des sources et des observateurs en mouvement et [...] ont toutes confirmées ces observations avec précision », c'est-à-dire que la lumière se déplace à une vitesse constante[113].

La relativité restreinte d'Einstein, extension de la relativité galiléenne, s'applique à tous les phénomènes naturels, y compris ceux de l'électrodynamique, de l'optique et de la thermodynamique[6],[114],[109],[103]. Pourtant, trois ans après la publication de l'article, Einstein écrit au physicien allemand Arnold Sommerfeld qu'il ne croit pas que la mécanique des électrons relativistes est complètement expliquée par sa théorie[115]. Par ailleurs, il écrit : « La théorie de la relativité n'est pas plus définitivement et absolument satisfaisante que ne l'était, par exemple, la thermodynamique classique, avant que Boltzmann ait interprété l'entropie comme probabilité[116]. » Selon Karl Popper, Einstein considère « sa théorie de la relativité restreinte comme insatisfaisante (pour plusieurs raisons, en particulier parce qu'elle ne faisait que remplacer l'espace absolu par l'ensemble absolu des systèmes intertiels)[117]. »

Suites[modifier | modifier le code]

En novembre 1943, dans le but de soutenir l'effort de guerre américain pendant la Seconde Guerre mondiale, Einstein décide de vendre la copie manuscrite de son article de 1905. Cependant, il n'a pas conservé le document original. Sous la dictée de sa secrétaire Helen Dukas, il réécrit donc l'article tel qu'il a paru dans Annalen der Physik. À un moment, il s'exclame sur un passage : « J'ai dit ça ? » Après confirmation, il ajoute : « J'aurais pu le dire beaucoup plus simplement. » Le passage n'a jamais été identifié. En février 1944, le manuscrit se vend six millions US$ lors d'une vente aux enchères[118].

Selon Jean Rosmorduc, à l'occasion du centenaire d'Einstein en 1979, « certains confrères ont affirmé que cette théorie résultait d'une intuition géniale d'Einstein, et ne visait pas à résoudre certaines des contradictions auxquelles se heurtait la physique classique. Que le savant allemand ait été génial, nul n'en disconviendra. [Que] seul un esprit original et anticonformisme puisse émettre des idées heurtant à ce point les convictions les plus solidement établies des physiciens, c'est tout à fait possible. Mais [l'article] qui expose les principes de la Relativité restreinte se fonde sur les travaux de Maxwell et de Hertz, utilise les transformations de Lorentz[119]. » Selon le physicien Banesh Hoffmann, « [rien] ne saurait révéler de façon plus frappante l'audace révolutionnaire des idées d'Einstein par rapport à celles de ses aînés Lorentz et Poincaré. Tout trois possédaient la transformation de Lorentz, dont les étonnantes conséquences étaient restées implicites. Mais, au moment de l'interpréter, ni Lorentz ni Poincaré n'avaient osé faire une entière confiance au principe de relativité[120]. » Tous les aspects de la théorie de la relativité, fruit d'une réflexion de 10 ans, sont « complètement détaillés dans son article de 1905 qui, selon un accord quasi universel, fait d'Einstein son authentique créateur[trad 5] »[121].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Citations originales[modifier | modifier le code]

  1. (en) « What led me more or less directly to the special theory of relativity was the conviction that the electromotive force acting on a body in motion in a magnetic field was nothing else but an electric field. »
  2. (en) « The properties of space and time thus depend on the properties of clocks and rulers. »
  3. (en) « Notice what the principle of relativity does not say. It does not say that the time between events A and B will appear the same when measured from two different inertial reference frames. Neither does it say that spatial separation between two events will be the same in two frames. Ordinarily neither times nor distances will be the same in the two frames [...] the momentum of one particle will have a value in one frame that is different from its value in a second frame. Even the time rate-of-change of momentum will ordinarily differ between the two frames. And so will the force [...] The physics that is so different between one frame and the other is neverthless the same in the two frames ! Physical quantities differ in value between the two frames but fulfill identical laws. »
  4. (en) « The success of his theory can only be judged by comparison with experiment. It not only was able to explain all the existing experimental results but predicted new effects which were confirmed by later experiments. No experimental objection to Einstein's special theory of relativity has yet been found. »
  5. (en) « all spelled out in his paper of 1905, which by almost universal agreement identifies Einstein as the true creator of relativity theory »

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Einstein, « impressionné » par la puissance des lois de la thermodynamique qui affirment l'impossibilité des machines à mouvement perpétuel, cherche un « postulat d'impossibilité » sur le mouvement. Plus précisément, il tente de démontrer qu'il n'y a aucune sorte d'expérience pouvant mettre en évidence le repos absolu et le mouvement uniforme[3].
  2. C'est la question que rapporte le physicien Brian Greene[40]. Le physicien John Moffat rapporte une question similaire[41]. Raymond Serway écrit plutôt que la question d'Einstein a été : « Que verrais-je dans un miroir si je le tenais dans mes mains en courant à la vitesse de la lumière [42]? » Le physicien Leonard Susskind indique qu'Einstein se serait souvenu avoir imaginé être monté à bord d'un train lancé à la vitesse de la lumière, regardant une onde lumineuse se déplaçant avec lui dans la même direction[43]. Le journalise scientifique Emmanuel Monnier écrit quant à lui : « Peut-on courir après un rayon lumineux et le rattraper[44] ? »
  3. Einstein la nommera « théorie de la relativité » en 1911. Le qualificatif « restreinte » ou « spéciale » sera ajouté pour la distinguer de la relativité générale[51].

Références[modifier | modifier le code]

  1. Consulter par exemple :
  2. Voir par exemple T. Kahan, « Sur les origines de la théorie de la relativité restreinte », Revue d'histoire des sciences et de leurs applications, vol. 12,‎ , p. 159 (lire en ligne)
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  4. a et b Serway 1992, p. 353.
  5. Barrow 1996, p. 231.
  6. a et b Geymonat 1992, p. 288.
  7. Allègre 2003, p. 300.
  8. a b et c Allègre 2003, p. 301.
  9. (en) John Michell, « On the Means of Discovering the Distance, Magnitude, &c. of the Fixed Stars, in Consequence of the Diminution of the Velocity of Their Light, in Case Such a Diminution Should be Found to Take Place in any of Them, and Such Other Data Should be Procured from Observations, as Would be Farther Necessary for That Purpose », Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 74,‎ , p. 35-57 (lire en ligne [PDF])
    Lettre expédiée à Henry Cavendish.
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  29. French 1968, p. 269-270.
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  69. Albert Einstein (trad. Maurice Solovine), Sur l'électrodynamique des corps en mouvement, Gauthier-Villars, (présentation en ligne)
  70. Albert Einstein (trad. Maurice Solovine), « Sur l'électrodynamique des corps en mouvement », dans Einstein : Sur l'Électrodynamique des corps en mouvement + 6 textes sur la Théorie de la Relativité, Éditions Jacques Gabay, , 160 p. (ISBN 978-2-87647-155-9, présentation en ligne)
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  72. Stephen Hawking (trad. Marc Lachièze-Rey, préf. Jean-Pierre Luminet), Sur les épaules des géants : Les plus grands textes de physique et d'astronomie [« On the Shoulders of Giants »], Paris, Dunod, , 960 p., cartonné (ISBN 978-2100079636), « Relativités », p. 819-845
    Au début du livre, il est écrit : « Les plus grands textes de physique et d'astronomie réunis et commentés par Stephen Hawking ». Également, le traducteur Marc Lachièze-Rey est présenté comme « directeur de recherche au CNRS, Centre d'études de Saclay » et le préfacier Jean-Pierre Luminet, « directeur de recherche au CNRS, Laboratoire univers et théorie, Observateur de Paris-Meudon ».
  73. (it) A. Einstein, L’elettrodinamica dei corpi in movimento, (lire en ligne [PDF])
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  79. « Un « principe de relativité » semble interdire à l’observateur de déterminer s’il est au repos ou en mouvement par rapport à l’éther. Alors, par un nouvel arrachement radical rappelant ceux de Galilée, Albert Einstein se débarrasse de cet éther inutile et inobservable, et il retravaille en profondeur toute notre conception de l’espace et du temps. » (Pierre Marage, « L’histoire du vide », Université Libre de Bruxelles, (consulté le 29 avril 2015)).
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  95. Rechercher les noms de famille des cinq scientifiques dans cette traduction, par exemple : (en) Contributeurs, « On the Electrodynamics of Moving Bodies (1920 edition) », Wikisource, (consulté le 4 octobre 2012)
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Annexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]