4. La physique et la relativité
de la vitesse de course de l’homme et de la vitesse du train. Michelson démontra donc
que cette loi ne s’applique pas à la lumière, et par extension aux objets de grande vitesse
proche de celle de la lumière.
S
L
M 1
M 2
O
Figure 8 Schéma de l’expérience de Michelson et Morley permettant de mesurer
précisément la vitesse de la lumière
S est une source monochromatique de lumière qui arrive sur un miroir O : une partie de
la lumière est réfléchie vers un miroir M 2 , l’autre traverse O pour atteindre un miroir M 1 .
Réfléchie en M 1 et M 2 , la lumière repasse par O et atteint une lunette L. Deux faisceaux
lumineux suivent donc deux chemins : SOM 1 OL et SOM 2 OL. Ces deux chemins ne sont
pas forcément égaux (on peut faire varier la longueur des bras OM 1 et OM 2 ) : on observe
alors des franges d’interférence au foyer de la lunette L. Michelson et Morley ont montré
qu’il n’y a pas de déplacement des franges d’interférence lorsqu’on fait tourner l’appareil
de 90 ◦ (i.e. le bras OM 1 prend la direction qu’avait le bras OM 2 ). Ainsi la vitesse de la
lumière est la même quel que soit le chemin suivi et tout se passe comme si la Terre était
immobile.
Avec cette expérience et avec d’autres, des théoriciens ont commencé à réfléchir sur
des changements à apporter au principe de relativité de Galilée pour des corps ayant
une vitesse proche de la vitesse c de la lumière. Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928)
propose des transformations pour expliquer la spécificité de tels corps : il explique
la constance de la vitesse de la lumière par une contraction des longueurs dans le
sens du mouvement pour un corps en mouvement rectiligne uniforme (1892) ; cette
contraction serait compensée par une dilatation des durées (1904). Il en vient donc
à faire l’hypothèse d’une augmentation des masses en mouvement. Henri Poincaré
(1854-1912) en déduit que ce type de transformations induit la construction d’une
nouvelle mécanique dans laquelle « l’inertie augmenterait avec la vitesse, la vitesse de
la lumière devenant alors une limite impossible à dépasser ». Ainsi les transformations
de Lorentz expriment une loi de composition plus complexe, et Poincaré a fait une
proposition capitale : « toutes les lois de la nature doivent être les mêmes pour tous les
observateurs ».
Alors entre en scène Albert Einstein. Einstein, au contraire de Lorentz et Poincaré,
n’a pas hésité à se tourner résolument vers une nouvelle mécanique. Il est parti de deux
postulats pourtant contradictoires : le principe de relativité de Galilée et la constance
de la vitesse de la lumière. Il propose dès 1905 sa théorie de la relativité restreinte
aboutissant en 1916 à la relativité générale.
©
Dunod – La photocopie non autorisée est un délit
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“Gautron_9782100543007” (Col. : ScienceSup3-193x250) — 2010/6/15 — 17:13 — page 13 — #23
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de la vitesse de course de l’homme et de la vitesse du train. Michelson démontra donc
que cette loi ne s’applique pas à la lumière, et par extension aux objets de grande vitesse
proche de celle de la lumière.
S
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M 1
M 2
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Figure 8 Schéma de l’expérience de Michelson et Morley permettant de mesurer
précisément la vitesse de la lumière
S est une source monochromatique de lumière qui arrive sur un miroir O : une partie de
la lumière est réfléchie vers un miroir M 2 , l’autre traverse O pour atteindre un miroir M 1 .
Réfléchie en M 1 et M 2 , la lumière repasse par O et atteint une lunette L. Deux faisceaux
lumineux suivent donc deux chemins : SOM 1 OL et SOM 2 OL. Ces deux chemins ne sont
pas forcément égaux (on peut faire varier la longueur des bras OM 1 et OM 2 ) : on observe
alors des franges d’interférence au foyer de la lunette L. Michelson et Morley ont montré
qu’il n’y a pas de déplacement des franges d’interférence lorsqu’on fait tourner l’appareil
de 90 ◦ (i.e. le bras OM 1 prend la direction qu’avait le bras OM 2 ). Ainsi la vitesse de la
lumière est la même quel que soit le chemin suivi et tout se passe comme si la Terre était
immobile.
Avec cette expérience et avec d’autres, des théoriciens ont commencé à réfléchir sur
des changements à apporter au principe de relativité de Galilée pour des corps ayant
une vitesse proche de la vitesse c de la lumière. Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928)
propose des transformations pour expliquer la spécificité de tels corps : il explique
la constance de la vitesse de la lumière par une contraction des longueurs dans le
sens du mouvement pour un corps en mouvement rectiligne uniforme (1892) ; cette
contraction serait compensée par une dilatation des durées (1904). Il en vient donc
à faire l’hypothèse d’une augmentation des masses en mouvement. Henri Poincaré
(1854-1912) en déduit que ce type de transformations induit la construction d’une
nouvelle mécanique dans laquelle « l’inertie augmenterait avec la vitesse, la vitesse de
la lumière devenant alors une limite impossible à dépasser ». Ainsi les transformations
de Lorentz expriment une loi de composition plus complexe, et Poincaré a fait une
proposition capitale : « toutes les lois de la nature doivent être les mêmes pour tous les
observateurs ».
Alors entre en scène Albert Einstein. Einstein, au contraire de Lorentz et Poincaré,
n’a pas hésité à se tourner résolument vers une nouvelle mécanique. Il est parti de deux
postulats pourtant contradictoires : le principe de relativité de Galilée et la constance
de la vitesse de la lumière. Il propose dès 1905 sa théorie de la relativité restreinte
aboutissant en 1916 à la relativité générale.
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