Principe de relativité - Définition et Explications

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Introduction

Albert Einstein
Avant Einstein
Avec Einstein
En physique des particules
Méta

Le principe de relativité affirme que les lois physiques s'expriment de manière identique dans tous les référentiels inertiels.

  • Ce qui implique que pour deux expériences préparées de manière identique dans deux référentiels inertiels, les mesures faites sur l'une et l'autre dans leur référentiel respectif sont identiques.
  • Cela ne signifie pas que les mesures au cours d'une expérience sont les mêmes pour les différents observateurs, chacun mesurant depuis son référentiel inertiel respectif, mais cela implique que les mesures faites par les différents observateurs vérifient les mêmes équations, un changement de référentiel pour l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique...) intervenant sous la forme de la variation d'un ou plusieurs paramètres dans les équations. On dit que les lois sont « invariantes par changement de référentiel inertiel ».

Une généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de concepts ou d'objets en négligeant les détails de façon à ce qu'ils...) à la base de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie relativiste de la...), et appelée principe de covariance ou principe de relativité générale, affirme que les lois physiques s'expriment de manière identique dans tous les référentiels (inertiels ou non). On dit alors que les lois sont « covariantes ».

D'une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une...) à l'autre (physique classique, relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein en 1905 en vue de tirer toutes les conséquences physiques de la relativité galiléenne et du principe que...) ou générale), la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en mélangeant...) du principe a évolué et s'accompagne d'autres hypothèses sur l'espace et le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), sur les vitesses, etc. Certaines de ces hypothèses étaient implicites ou « évidentes » en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance...) classique, car conformes à toutes les expériences, et elles sont devenues explicites et plus discutées à partir du moment où la relativité restreinte a été formulée.

Exemples en physique classique

Première situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit...)

Supposons que dans un train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou de plusieurs...) en marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un mode de locomotion naturel. Il consiste en un déplacement en appui...), un voyageur se tienne debout, immobile par rapport à ce train, et tienne un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) dans la main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est un organe...). S’il lâche l’objet, celui-ci tombe à la verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) de la main qui le tenait (vitesse initiale par rapport au train nulle) et selon une certaine loi en fonction du temps.

Le principe de relativité ne dit pas que le mouvement de cet objet sera le même si, après l’avoir rapporté à un référentiel lié au train on le rapporte à un référentiel lié au sol : l’expérience montre que ce serait erroné puisque, vu du train l’objet décrit une droite verticale, tandis que, vu du sol il décrit une parabole (La parabole est l'intersection d'un plan avec un cône lorsque le plan est parallèle à l'une des génératrices du cône. Elle est un type de courbe...).

Vues depuis l'un ou l'autre de ces référentiels les conditions initiales de l'expérience ne sont pas les mêmes : l'attraction gravitationnelle est identique dans les deux, mais par rapport au référentiel lié au train la vitesse (On distingue :) initiale de l’objet lâché est nulle, tandis que par rapport à celui référentiel lié au sol, elle ne l’est pas.

Toutefois, une même loi mathématique pour chacun des deux référentiels permet de décrire cette expérience, cette loi tient compte de la vitesse initiale par rapport au référentiel.

Deuxième situation

En revanche, si quelqu’un, immobile par rapport au sol, lâche un objet qu’il tient dans la main, le principe de relativité s’applique car les conditions générales ainsi que les conditions initiales sont identiques pour l'expérience faite au sol et celle faite dans le train. Selon le principe l’objet doit tomber selon une droite verticale que ce soit dans le cas où il est lâché dans le train (et l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) faite depuis le train aussi) ou au sol (et l'observation faite depuis le sol aussi) : c’est bien ce que l’expérience confirme.

Conclusion

Dans les deux cas exposés, le principe de relativité s'applique différemment : pour l'expérience vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) depuis deux référentiels différents, les observations sont différentes mais une même loi mathématique les décrit toutes les deux (où il est tenu compte de la vitesse initiale, nulle ou non) ; pour les deux expériences faites dans deux référentiels distincts, où les conditions de l'expérience sont identiques, les observations sont rigoureusement identiques (aux imprécisions de mesures près).

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