Qui a formulé la théorie de la relativité restreinte en 1905 ?

En 1905, Albert Einstein formule la théorie de la relativité restreinte, une nouvelle conception de l’espace, du temps et du mouvement. Il expose ses idées dans un article publié en allemand dans la revue Annalen der Physik, intitulé « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement ». Alors employé à l’Office des brevets de Berne, Einstein y répond aux difficultés posées par la coexistence de la mécanique classique et de l’électromagnétisme. La théorie ne modifie pas seulement les calculs de la physique : elle remet en cause l’idée d’un temps identique pour tous les observateurs.

Un contexte scientifique en pleine transformation

Au début du XXe siècle, la mécanique newtonienne décrit efficacement les mouvements ordinaires, tandis que les équations de James Clerk Maxwell rendent compte de l’électricité, du magnétisme et de la lumière. Une difficulté apparaît toutefois : la mécanique classique repose sur des transformations qui ne préservent pas la même vitesse de la lumière pour tous les observateurs, alors que les équations de Maxwell lui attribuent une vitesse déterminée dans le vide. De nombreux physiciens cherchent alors à comprendre le rôle éventuel de l’éther, un milieu hypothétique censé transporter les ondes lumineuses. Les expériences de Michelson et Morley, menées en 1887, ne mettent pas en évidence le mouvement attendu de la Terre à travers cet éther. Ces recherches, ainsi que les travaux mathématiques de Hendrik Lorentz et d’autres scientifiques, forment le contexte dans lequel Einstein élabore sa théorie. Son approche ne nécessite pas de faire intervenir un éther et réinterprète les relations entre les mesures effectuées par différents observateurs.

Les deux postulats de la relativité restreinte

La théorie repose sur deux principes fondamentaux. Le premier, appelé principe de relativité, affirme que les lois de la physique ont la même forme dans tous les référentiels inertiels, c’est-à-dire pour des observateurs en mouvement rectiligne uniforme les uns par rapport aux autres. Aucun de ces référentiels ne peut être considéré comme absolument immobile. Le second postulat affirme que la vitesse de la lumière dans le vide est la même pour tous ces observateurs, indépendamment du mouvement de la source lumineuse ou de celui de l’observateur. Cette vitesse, désignée par la lettre c, est fixée à 299 792 458 mètres par seconde dans le Système international. Pour rendre compatibles ces deux principes, il faut abandonner les transformations classiques de Galilée et adopter les transformations de Lorentz, qui relient les mesures de l’espace et du temps entre référentiels en mouvement.

La relativité de la simultanéité

L’une des conséquences les plus importantes de la théorie est que le temps n’est pas universel. Deux événements qui paraissent simultanés pour un observateur peuvent ne pas l’être pour un autre en mouvement relatif. Le temps mesuré par une horloge et les distances mesurées entre deux points dépendent donc de l’état de mouvement de l’observateur, sans que cela signifie que les lois physiques deviennent arbitraires. La dilatation du temps indique qu’une horloge en mouvement par rapport à un observateur mesure un intervalle de temps plus long que celui mesuré dans le référentiel où elle est au repos. La contraction des longueurs concerne, elle, les dimensions mesurées dans la direction du mouvement. Ces effets deviennent particulièrement sensibles lorsque la vitesse d’un objet approche celle de la lumière.

Une théorie toujours vérifiée

La relativité restreinte ne concerne pas directement la gravitation, qui sera traitée par Einstein dans la théorie de la relativité générale publiée en 1915. Elle joue cependant un rôle central dans la physique moderne. Ses prédictions sont vérifiées par l’étude des particules rapides, par les mesures effectuées avec des horloges de grande précision et par l’observation de particules cosmiques. Les accélérateurs de particules doivent tenir compte des effets relativistes, tout comme les systèmes de navigation par satellite, qui prennent en considération les différences de marche des horloges dues à la relativité restreinte et à la relativité générale. La théorie formulée par Einstein en 1905 reste ainsi l’un des fondements de la description contemporaine de l’espace, du temps et du mouvement.