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Temps de l'atome
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Pourquoi un arbre grandit-il? De quoi est constituée la matière? Qu'est-ce qu'un atome? Comment les électrons tournent-ils autour d'un noyau sans le percuter? Ce sont des questions que de grands physiciens se posèrent durant bien des années. Après que ces questions eurent été répondues, ce fut l'arrivée d'Albert Einstein qui amena des théories sur la nature de l'Univers et sur plusieurs autres sujets. Voici une recherche centrée sur une mince partie de sa vie scientifique qu'il consacra à la relativité.
La relativité, c'est l'ensemble des théories qui tentent d'expliquer le mouvement relatif des corps. La physique moderne connaît en fait deux théories de la relativité très différentes, la relativité restreinte et la relativité générale, toutes deux développées au début du vingtième siècle par Albert Einstein. La théorie de la relativité et ses ramifications font aujourd'hui partie des concepts fondamentaux de la physique.
À la fin du dix-septième siècle, Isaac Newton énonce les principes fondamentaux de la mécanique classique qui comprennent les lois d'accélération, d'accélération gravitationnelle terrestre, de vitesse et de déplacement. Les principes fondamentaux de la mécanique classique furent universellement acceptés jusqu'en 1887. Cette année-là, le physicien Albert Michelson et le chimiste Edward Williams Morley réalisèrent l'expérience portant leur nom: Expérience Michelson-Morley. Celle-ci tentait de déterminer la vitesse de la Terre dans l'éther, substance censée transmettre les rayonnements électromagnétiques et supposée occuper tout l'espace.
Pour cela, Michelson et Morley imaginèrent une expérience demeurée célèbre, consistant à placer une source de lumière monochromatique devant un miroir semi-argenté. Les deux rayons résultants parcourent alors la même distance avant d'être réunis sur l'écran d'un télescope. La superposition de ces deux faisceaux forme des franges d'interférence, il s'agit d'alternances de bandes sombres et de bandes claires. Si la Terre se déplaçait par rapport à l'éther, les deux rayons lumineux ne devaient pas avoir la même vitesse (loi de composition des vitesses). À l'aide du télescope, on devait donc constater un déplacement significatif des franges, étant donné cette différence de vitesse. Or, il n'en étaitrien. Michelson et Morley conclurent que la vitesse de la Terre dans l'éther était nulle. Par la suite, Einstein interpréta de nouveau cette expérience.
Suite à l'échec de l'expérience Michelson-Morley, Lorentz et Fitzgerald, en 1890, avancèrent indépendamment l'hypothèse que la longueur de la trajectoire d'un corps se déplaçant dans l'espace est contractée dans le sens du mouvement. C'est ainsi que l'échec fut expliqué. Cependant, l'hypothèse qu'ils énoncèrent fut peu satisfaisante aux yeux des scientifiques, car elle utilisait la notion de mouvement absolu pour conclure qu'un tel mouvement ne pouvait être observé. Lorentz et Fitzgerald reviendront plus tard nous dire que la mécanique classique est valable par le facteur bêta.
En 1905, dans le premier article qu'il publia sur le sujet, Einstein nia l'existence du mouvement absolu. Selon lui, aucun corps particulier ne pouvait servir de référentiel universel. Cependant, tout corps fournit un système de référence convenable dans lequel tout mouvement peut être étudié. Ce qu'il traduisit dans son premier postulat: «Les lois physiques de la nature sont les mêmes dans tous les référentiels galiléens». Pour simplifier, on peut remplacer «référentiels» par «points de vue». Lorsque Maxwell découvrit que la lumière était une onde électromagnétique, Einstein appliqua les équations de Maxwell à son premier postulat pour en arriver au second. Autrement dit, la vitesse de la lumière ne peut être additionnée par une vitesse supplémentaire (loi d'addition des vitesses). Einstein en est arrivé à deux hypothèses, soit les mesures varient d'un référentiel à un autre, soit c'est le temps qui varie d'un référentiel à un autre. Ceci peut paraître étrange, mais ces deux hypothèses étaient exactes. Ces deux phénomènes se nomment «contraction des distances» et «dilatation du temps».
Imaginons deux règles identiques, l'une immobile et l'autre se déplaçant horizontalement dans le sens de sa longueur à une vitesse approchée de celle de la lumière (300 000 000 m/s). Le principe de contraction des longueurs dit que la règle qui se déplace est plus petite et que ce phénomène est réel et non pas une illusion. Cependant, elle rapetisse seulement dans le sens où elle se déplace, la règle rapetisse en longueur mais garde sa largeur initiale.
Au retour du voyage, Georges et Alain se rencontrent! Alain voit son frère qui a 35 ans alors que lui, il en a 72! Le voyage à une vitesse près de celle de la lumière a donc agit comme un élixir de Jouvence. Pire, selon le point de vue de Georges, dans sa fusée, c'est Alain le voyageur! C'est comme si c'était la Terre qui se déplaçait. Alors, de son point de vue, il a 72 ans et son frère 35!
Peut-être que le meilleur exemple de ce phénomène concerne une particule subatomique appelée «muon». Le muon est une particule instable, ce qui signifie qu'après sa création, il se désintègre en d'autres particules plus légères. Sa durée de vie a été mesurée avec beaucoup de précision. Et l'on a observé qu'un muon se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière vit plus longtemps qu'un muon au repos ou se mouvant lentement. C'est un effet de la relativité. Du point de vue du muon en mouvement, il ne vit pas plus longtemps, parce que de son point de vue, il est au repos. C'est seulement dans le référentiel du laboratoire que le muon se déplace à une vitesse près de celle de la lumière et que sa durée de vie est allongée, ou «dilatée».
La clé du problème réside dans le rapport v2/c2 . «v» est la vitesse de l'objet dont nous parlons, alors que «c» représente la vitesse de la lumière. Comme la vitesse de n'importe quel objet normal est bien inférieure à celle de la lumière, v/c est très petit, et quand nous le mettons au carré, c'est encore plus petit. Donc, gamma est, dans la plupart des applications pratiques, égal à 1, surtout dans la vie de tous les jours. Voilà pourquoi nous n'observons pas ces phénomènes dans la nature.
Les physiciens Lorentz et Fitzgerald ont défini, à la fin du 19e siècle, par la règle bêta (ß = v2/c2), la limite d'application de la mécanique classique. On utilise la mécanique classique quand bêta est négligeable devant 1. Pour bêta proche de 1, il faut appliquer la mécanique relativiste. La mécanique classique pour les phénomènes terrestres courants est valable.
Bibliographie
«Électromagnétique, rayonnement». Encyclopédie Microsoft Encarta 98 [CD-ROM]. Microsoft Corporation, 1997.
«Michelson, Albert Abraham». Encyclopédie Microsoft Encarta 98 [CD-ROM]. Microsoft Corporation, 1997.
«Relativité». Encyclopédie Microsoft Encarta 98 [CD-ROM]. Microsoft Corporation, 1997.
