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La relativité restreinte

La relativité restreinte (Einstein, 1905) repose sur deux postulats : les lois de la physique sont les mêmes dans tous les référentiels inertiels, et la vitesse de la lumière dans le vide, c ≈ 3,00 × 10⁸ m/s, est la même pour tous les observateurs. Il en découle que les horloges en mouvement retardent (t = γt₀), que les objets en mouvement sont plus courts dans le sens de leur déplacement (L = L₀/γ) et que la masse est une forme d'énergie (E = mc²), avec γ = 1/√(1 − v²/c²). À vitesse ordinaire, γ ≈ 1 et la mécanique de Newton suffit ; près de c, elle échoue.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Voici une horloge à lumière : un éclair rebondit entre deux miroirs. Un aller-retour correspond à un « tic ».
  2. La lumière va toujours à c = 3 × 10⁸ m/s pour tous les observateurs, même s'ils se déplacent très vite. Personne ne peut la rattraper.
  3. Maintenant l'horloge se déplace. Vue du sol, la lumière suit un trajet oblique, plus long. Même vitesse, trajet plus long : chaque tic dure plus longtemps. C'est la dilatation du temps.
  4. Un vaisseau très rapide paraît plus court dans sa direction de déplacement, vu depuis le sol : c'est la contraction des longueurs. Sa hauteur ne change pas.
  5. La masse est une réserve d'énergie : E = mc². Comme c² est énorme, une toute petite masse contient une énergie gigantesque.
  6. Jeu libre : déplace le curseur v/c. Observe γ, le tic et la longueur du vaisseau. Essaie 0,1c, 0,6c et 0,99c.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Pourquoi utiliser la lumière pour fabriquer une horloge ?

La vitesse de la lumière est la seule chose sur laquelle tous les observateurs s'accordent, donc une horloge à lumière permet de comparer les temps de façon équitable.

Si je cours vers le faisceau d'une lampe, ne va-t-il pas paraître plus lent ?

Non. Les expériences mesurent toujours c, quelle que soit ta vitesse. C'est le deuxième postulat.

Le temps est-il vraiment plus lent, ou est-ce juste une impression ?

C'est réel : des horloges atomiques embarquées en avion et les horloges GPS montrent la différence mesurée.

Le pilote se sent-il écrasé ?

Non. Dans le référentiel du pilote, tout est normal. Seul un observateur qui voit le vaisseau passer le mesure plus court.

Pourquoi rien qui possède une masse ne peut-il atteindre c ?

Son énergie E = γmc² demanderait γ → ∞, donc une énergie infinie. Pousse le curseur à 0,99c et regarde γ s'envoler.

Où retrouve-t-on E = mc² dans la vie réelle ?

Dans le Soleil et les centrales nucléaires, une minuscule perte de masse est libérée sous forme d'une énergie énorme.

Limites de la mécanique de Newton et expérience de Michelson et Morley

La mécanique de Newton suppose que le temps et les longueurs sont les mêmes pour tout le monde, et que les vitesses s'additionnent simplement. Cela marche pour les voitures et les planètes, mais la lumière a brisé cette règle.

Les scientifiques pensaient que la lumière voyageait dans un « éther » invisible. Si la Terre se déplaçait dans cet éther, la lumière devrait aller plus vite dans un sens que dans l'autre. En 1887, Michelson et Morley ont séparé un faisceau de lumière en deux chemins à angle droit, puis les ont réunis pour chercher un décalage des franges d'interférence quand on tournait l'appareil. Ils n'ont trouvé aucun décalage. La vitesse de la lumière ne dépendait pas du mouvement de la Terre. L'éther n'existait pas.

Les deux postulats d'Einstein

  1. Principe de relativité : les lois de la physique sont les mêmes dans tout référentiel inertiel (un référentiel qui se déplace à vitesse constante). Aucune expérience ne permet de savoir si tu bouges « vraiment ».
  2. Constance de c : la lumière dans le vide se propage à c ≈ 3,00 × 10⁸ m/s pour tous les observateurs, quel que soit le mouvement de la source ou de l'observateur.

Si c est fixe, alors le temps et l'espace doivent s'ajuster. Le facteur qui indique de combien est le facteur de Lorentz γ = 1/√(1 − v²/c²).

Dilatation du temps

Dans l'horloge à lumière, les miroirs sont séparés d'une distance L. Au repos, un aller-retour dure t₀ = 2L/c. C'est le temps propre : le temps mesuré par une horloge au repos par rapport à l'événement.

Vue du sol, la lumière de l'horloge en mouvement suit un trajet oblique. Avec Pythagore, (ct/2)² = L² + (vt/2)², ce qui donne t = γ t₀. Une horloge en mouvement retarde.

Preuve : les muons vivent environ 2,2 μs au repos. Même à 0,99c, ils ne parcourraient qu'environ 650 m, et pourtant beaucoup atteignent le sol depuis 10 km de haut, car leur durée de vie est dilatée d'un facteur γ ≈ 7.

Contraction des longueurs

La longueur propre L₀ est mesurée par quelqu'un qui est au repos par rapport à l'objet. Un observateur qui le voit passer à la vitesse v mesure L = L₀ / γ, plus court uniquement dans la direction du mouvement. Du point de vue du muon, les 10 km d'air sont contractés à environ 1,4 km, donc il les traverse pendant sa courte vie. Les deux points de vue s'accordent sur ce qui se passe.

Masse et énergie : E = mc²

La masse est une forme d'énergie. L'énergie de repos d'une masse m est E₀ = mc². L'énergie totale d'une particule en mouvement est E = γmc², et son énergie cinétique est (γ − 1)mc². Quand v → c, γ → ∞, il faudrait donc une énergie infinie : rien qui possède une masse ne peut atteindre c.

Dans le Soleil et dans les réacteurs nucléaires, une petite perte de masse devient une grande quantité d'énergie. Unités : en physique des particules, les énergies sont souvent données en MeV (1 eV = 1,60 × 10⁻¹⁹ J).

Pour aller plus loin : un aperçu de la relativité générale

La relativité restreinte traite des référentiels à vitesse constante. La relativité générale d'Einstein (1915) ajoute la gravité : la masse courbe l'espace-temps, donc la lumière se courbe près du Soleil et les horloges retardent dans une gravité plus forte. Le GPS doit corriger ces deux effets.

À toi de jouer : sur le curseur, trouve la vitesse pour laquelle γ = 2. (Réponse : v ≈ 0,87c.) Vérifie ensuite avec la formule.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Trouve γ pour v = 0,6c.

v²/c² = 0,36 ; 1 − 0,36 = 0,64 ; √0,64 = 0,8 ; γ = 1/0,8 = 1,25.

2. Un vaisseau se déplace à 0,8c. Une horloge à bord fait un tic de 1,0 s. Combien dure ce tic vu depuis la Terre ?

γ = 1/√(1 − 0,64) = 1/0,6 = 1,67. t = γt₀ = 1,67 × 1,0 = 1,67 s.

3. Une tige mesure 5,0 m au repos. Quelle longueur mesure-t-on quand elle se déplace dans le sens de sa longueur à 0,8c ?

γ = 1,67. L = L₀/γ = 5,0 / 1,667 = 3,0 m.

4. Quelle énergie contient 1,0 g de masse ?

E = mc² = 0,001 × (3,0 × 10⁸)² = 0,001 × 9,0 × 10¹⁶ = 9,0 × 10¹³ J.

5. Des muons ont une durée de vie propre de 2,2 μs et se déplacent à 0,995c. Quelle distance parcourent-ils pendant une durée de vie, vue depuis le sol ?

γ = 1/√(1 − 0,990) = 1/√0,00998 ≈ 10,0. Durée de vie dilatée = 22 μs. Distance = 0,995 × 3,0 × 10⁸ × 22 × 10⁻⁶ ≈ 6,6 km (contre seulement 0,66 km sans relativité).

6. Un électron (m = 9,11 × 10⁻³¹ kg) se déplace avec γ = 3. Trouve son énergie cinétique.

Eₖ = (γ − 1)mc² = 2 × 9,11 × 10⁻³¹ × 9,0 × 10¹⁶ = 1,64 × 10⁻¹³ J (environ 1,02 MeV).

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. La vitesse de la lumière dans le vide est :
2. Pour v = 0,6c, γ vaut :
3. Une horloge en mouvement, vue depuis le sol :
4. L'expérience de Michelson et Morley a montré :
5. E = mc² signifie que :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que la relativité restreinte, en mots simples ?

La vitesse de la lumière est la même pour tout le monde, donc le temps et les longueurs doivent changer pour les objets très rapides : les horloges en mouvement retardent et les objets en mouvement raccourcissent.

Qu'est-ce que le facteur de Lorentz ?

γ = 1/√(1 − v²/c²). Il indique de combien le temps s'étire et la longueur se raccourcit à la vitesse v. Il vaut 1 au repos et grandit sans limite quand v s'approche de c.

Pourquoi le résultat de Michelson et Morley est-il important ?

Il n'a montré aucun changement de la vitesse de la lumière dû au mouvement de la Terre, donc pas d'éther, ce qui soutient le postulat d'Einstein selon lequel c est constante.

Où c'est enseigné

ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Electromagnetism and modern physics
NetherlandsVWO 5Optional subdomains (choose two)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVRelativity and nuclear physics
RomaniaClasa a XII-aSpecial relativity
RomaniaClasa a XII-aSpecial relativity
Spain2º BachilleratoRelativistic, quantum, nuclear and particle physics
Ukraine10 класSpecial relativity
Ukraine10 класElements of special relativity
England (GCSE, A level)Year 133.12 Turning points in physics
South Korea고등학교 2학년Light and matter
South Korea고등학교 3학년Mechanics and energy
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 11Independent work on physics topics
Russia11 классSpecial relativity
Russia11 классSpecial relativity
China高一Compulsory 2 Ch.7 Gravitation and spaceflight
China高三Elective 3: Frontiers

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