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Chap. B4 Temps et relativité restreinte
I. La relativité restreinte
1- Limites de la mécanique classique
En mécanique classique, si deux mobiles A et B se déplacent avec les vitesses
et
par rapport à un
référentiel galiléen, pour A, le mobile B se déplace à la vitesse
-
.C’est la loi de composition des
vitesses, qui reste vraie pour une onde sonore ou une vague sur la mer.
L'expérience de Michelson et Morley, effectuée en 1887 montre que la vitesse de propagation de la
lumière dans le vide par rapport à la Terre est indépendante de la vitesse de déplacement de la Terre par
rapport au Soleil.
2- Postulats
Albert Einstein publie en 1905, une nouvelle théorie : la relativité restreinte qui s’appuie sur deux
postulats.
- Les lois de la physique s'expriment de la même façon dans tous les référentiels galiléens.
- La vitesse de propagation de la lumière dans le vide est indépendante du mouvement de la source
lumineuse et elle est invariante dans tout changement de référentiel galiléen.
On la note c = 299792458 m.s-1 = 3,00.108 m.s-1
Il existe donc une vitesse limite, égale à la célérité c de la lumière dans le vide, qui ne peut être dépassée
par aucun signal transportant une information, ni aucune particule. Elle ne peut être atteinte que par les
particules de masse nulle comme le photon.
3- Tests expérimentaux
a) Expérience d'Arago
Vers 1810, Arago place un prisme sur le trajet de la lumière émise par différentes étoiles. La déviation
des rayons lui fournit une mesure de la célérité de la lumière incidente, il constate que cette célérité ne
dépend pas du déplacement de l'étoile vis-à-vis de la Terre.
b) Expérience de Michelson et Morley
À la fin du XIXe siècle, Albert Michelson met au point un appareil très sensible qui exploite le
phénomène d'interférence, il veut mettre en évidence les possibles variations de la célérité de la lumière,
selon qu'elle se propage dans la direction du mouvement de la Terre ou dans la direction perpendiculaire.
Aucun effet n'est observé.
c) Expérience de George Joos
En 1930, ce physicien allemand construisit un interféromètre de très grande taille (21 m) tournant
lentement autour d'un axe vertical. Le but était de mesurer la vitesse de la lumière pour différentes
vitesses de la source lumineuse contenue dans l'interféromètre. La même vitesse fut obtenue
indépendamment de la vitesse de l'appareil.
Les dernières expériences en 2009 confirment l’invariance de la célérité de la lumière avec une
incertitude relative de 10-17.