Qu'est-Ce que la Théorie de la Relativité ?

sa vie également à l'avenir et le conduire à la solution du problème actuellement le plus important de la physique qu'il a lui-même posé et qu'il a développé puissamment : puisse-t-il réussir à unir la théorie des quanta à l'électrodynamique et à la mécanique, en un système constituant logiquement un tout.

QU'EST-CE QUE LA THÉORIE DE LA RELATIVITÉ ?

Écrit à la demande de The London Times. Paru le 28 novembre 1919.

Je réponds bien volontiers à la demande de votre collaborateur d'écrire pour le Times quelque chose sur la relativité. Car, après la rupture des relations internationales, auparavant actives, entre les savants, cette occasion est pour moi la bienvenue puisqu'elle me permet d'exprimer aux physiciens et astronomes anglais mes sentiments de joie et de reconnaissance. Selon les grandes et fières traditions du travail scientifique dans votre pays, des savants de premier ordre ont consacré beaucoup de temps et de peine, et vos instituts scientifiques ont mis en oeuvre de puissants moyens

matériels pour soumettre au contrôle la conséquence d'une théorie qui avait été mise au point et publiée dans le pays de vos ennemis pendant la guerre. Bien qu'il s'agisse, dans la recherche du champ de gravitation du soleil sur les rayons lumineux, d'une circonstance purement objective, j'ai le vif désir d'exprimer à mes confrères anglais ma gratitude personnelle pour leurs travaux, car sans eux il ne m'aurait peut-être plus été donné de voir la vérification de la conséquence la plus importante de ma théorie.

En physique, on peut distinguer des théories de natures différentes. La plupart sont des théories constructives : au moyen d'un système de formules relativement simple placé à la base, elles cherchent à construire une image de phénomènes plus complexes. C'est ainsi que la théorie cinétique des gaz cherche à ramener les phénomènes mécaniques, thermiques et de diffusion à des mouvements de molécules, c'est-à-dire à construire en partant de l'hypothèse du mouvement moléculaire. Lorsqu'on dit qu'on a réussi à saisir un groupe de phénomènes naturels, cela signifie toujours que l'on a trouvé une théorie constructive qui embrasse les phénomènes en question.

Mais à côté de cette classe importante de théories, il y en a une deuxième, que j'appellerai les théories à principes, qui, au lieu de la méthode synthétique, emploie la méthode analytique. Ici, le point de départ et la base ne sont pas constitués par des éléments de construction hypothétique, mais par des propriétés générales trouvées empiriquement, des phénomènes naturels, principes d'où découlent ensuite des critères mathématiquement formulés, auxquelles les phénomènes particuliers ou leurs images théoriques doivent satisfaire. C'est ainsi que la thermodynamique essaie, en partant de ce résultat général d'expérience que le mouvement perpétuel est impossible, de déterminer, par la voie analytique, les relations auxquelles les phénomènes particuliers doivent satisfaire.

Les théories constructives possèdent, outre la capacité d'adaptation et l'évidence, l'avantage d'être complètes : l'avantage des théories de principe est la perfection et la sûreté des fondements.

La théorie de la relativité appartient à la deuxième catégorie. Pour saisir son essence, on doit d'abord par conséquent apprendre à connaître les principes sur lesquels elle repose. Mais, avant de les examiner, je dois faire remarquer que la théorie de la relativité ressemble à un monument à deux étages, qui sont la théorie de relativité restreinte et celle de la relativité généralisée. La première, sur laquelle repose la seconde, concerne tous les phénomènes physiques à l'exception de la gravitation ; la théorie de la relativité généralisée donne la loi de la gravitation et les relations de celle-ci avec les autres forces naturelles.

Depuis l'Antiquité grecque il est bien connu que pour décrire le mouvement d'un corps, il faut faire appel au mouvement d'un autre corps, auquel se rapporte le mouvement du premier. On rapporte le mouvement d'une voiture au sol, le mouvement d'une planète à la totalité des étoiles fixes visibles. En physique, les corps auxquels on rapporte, en ce qui concerne l'espace, les phénomènes, sont désignés sous le nom de systèmes de coordonnées. Par exemple, on ne peut formuler les lois de la mécanique de Galilée et de Newton, qu'en utilisant un système de coordonnées.

Mais, pour que les lois de la mécanique soient valables, on ne peut pas choisir à volonté l'état de mouvement du système de coordonnées (il doit être sans rotation et sans accélération). Un système de

coordonnées admissible en mécanique s'appelle " un système d'inertie ". Mais l'état de mouvement d'un système d'inertie n'est pas, selon la mécanique, déterminé sans ambiguïté par la nature. Il faut plutôt dire : un système de coordonnées qui se déplace en ligne droite et d'un mouvement uniforme par rapport à un système d'inertie est également un système d'inertie. Par " principe de relativité restreinte " on entend l'extension de la proposition ci-dessus à n'importe quel phénomène naturel : toute loi générale de la nature, valable pour un système de coordonnées K, doit être valable sans modifications pour un système de coordonnées K, animé d'un mouvement de translation uniforme par rapport à K.

Le deuxième principe sur lequel repose la théorie de la relativité restreinte est " le principe de la constance de la vitesse de la lumière dans le vide ". Ce principe dit : la lumière a toujours, dans le vide, une vitesse de propagation déterminée (indépendante de l'état de mouvement et de la source lumineuse). La confiance que le physicien accorde à ce principe est due au succès de l'électrodynamique de Lorentz et Maxwell.

Les deux principes ci-dessus sont puissamment étayés par l'expérience, mais ne paraissent pas, logiquement, être compatibles. La théorie de la relativité restreinte est parvenue finalement à réaliser cette union logique en modifiant la cinématique, c'est-à-dire la doctrine des lois concernant l'espace et le temps (en partant du point de vue physique). Elle a montré ceci : dire que deux événements sont simultanés n'a de signification que par rapport à un système de coordonnées et il devint évident que la forme des mètres et la marche des horloges durent dépendre de leur état de mouvement par rapport au système de coordonnées.

Mais l'ancienne physique, comprenant les lois de Galilée et de Newton, ne s'adaptait pas à cette cinématique relativiste dont il vient d'être question. De cette dernière, découlaient des conditions mathématiques générales auxquelles les lois naturelles devaient correspondre si les deux principes généraux en question étaient vrais. La physique devait s'adapter à ceux-ci. En particulier on est parvenu à une nouvelle loi du mouvement pour les points matériels (se déplaçant rapidement), qui s'est vérifiée parfaitement bien sur les particules chargées électriquement. Le résultat le plus important de la théorie de relativité restreinte visait les masses inertes d'un système de corps. Il a été montré que l'inertie d'un système doit dépendre de sa contenance en énergie, et l'on est parvenu pour ainsi dire à la conception que des masses inertes ne sont pas autre chose que de l'énergie latente. Le principe de la conservation de la masse a perdu son autonomie et s'est confondu avec celui de la conservation de l'énergie.

La théorie de la relativité restreinte, qui n'était pas autre chose que le prolongement systématique de l'électrodynamique de Maxwell et Lorentz, a ouvert des voies nouvelles, en dépassant ses limites. L'indépendance des lois physiques par rapport à l'état de mouvement du système de coordonnées devait-elle se limiter aux mouvements uniformes de translation des systèmes de coordonnées les uns par rapport aux autres ? Qu'a donc à faire la nature avec les systèmes de coordonnées introduits par nous et leur état de mouvement ? Même s'il est nécessaire, pour décrire la nature, d'employer un système de coordonnées choisi à notre gré, le choix de son état de mouvement ne devait du moins subir aucune limitation, les lois devaient être absolument indépendantes de ce choix (principe de relativité généralisée). L'application de ce principe de relativité généralisée est facile à saisir par une expérience connue depuis longtemps, d'après laquelle la pesanteur et l'inertie d'un corps ont régies par la même constante (égalité des masses pesantes et inertes). Qu'on imagine par exemple un système de coordonnées animé d'un mouvement de rotation uniforme, relativement à un système d'inertie au sens de Newton. Les forces centrifuges qui interviennent, relatives à ce système, doivent être conçues, au sens de la doctrine de Newton, comme des effets de l'inertie. Mais ces forces centrifuges sont, exactement comme les forces de la pesanteur, proportionnelles à la masse des corps. Ne serait-il pas possible, dans des circonstances, de concevoir le système de coordonnées comme immobile et les forces centrifuges comme des forces de gravitation ? Il est aisé de le concevoir, mais la mécanique classique s'y oppose.

Cette considération faite en passant nous laisse pressentir qu'une théorie de la relativité généralisée doit nous fournir les lois de gravitation, et la poursuite logique de l'idée a justifié cet espoir. Mais le chemin a été plus dur qu'on ne devait la croire parce qu'il exigeait l'abandon de la géométrie d'Euclide. Ce qui signifie les lois d'après lesquelles les corps solides doivent se disposer dans l'espace ne concordent pas exactement avec les lois spatiales que la géométrie euclidienne prescrit. C'est ce qu'on veut dire quand on parle de la " courbure de l'espace ". Les concepts fondamentaux, " la droite ", " le plan ", etc., perdent ainsi leur signification exacte en physique.

Dans la théorie de la relativité généralisée, la doctrine de l'espace et du temps, la cinématique, ne joue plus le rôle d'un fondement indépendant du reste de la physique. La manière de se comporter des corps et la marche des horloges dépendent plutôt des champs de gravitation, qui eux-mêmes sont produits à leur tour par la matière.

La nouvelle théorie de la gravitation s'écarte notablement, au point de vue des principes, de la théorie de Newton ; mais ses résultats pratiques concordent de si près avec ceux de cette théorie qu'il est difficile de trouver des preuves de différence qui soient accessibles à l'expérience. Voici celles qu'on a trouvées jusqu'à présent :

1° La rotation des ellipses des orbites planétaires autour du soleil (constatée chez Mercure) ;

2° La courbure des rayons lumineux par les champs de gravitation (constatée par les photographies anglaises d'éclipses solaires) ;

3° Un déplacement vers le rouge des raies spectrales de la lumière que nous envoient les étoiles de masse importante.

L'attrait principal de la théorie est qu'elle constitue un tout logique.

Si une seule de ses conséquences se montrait inexacte, il faudrait l'abandonner ; toute modification paraît impossible sans ébranler tout l'édifice. Mais personne ne doit penser que la grande création de Newton peut réellement être évincée par cette théorie ou telle autre. Ses idées grandes et nettes conserveront toujours dans l'avenir leur importance éminente, et c'est sur elles que nous aurons fondé toutes nos spéculations modernes sur la nature du monde.

Remarque : les observations de votre journal concernant ma personne et les circonstances de ma vie témoignent en partie de la joyeuse imagination de l'auteur de l'article. Voici encore une sorte d'application du principe de relativité pour divertir le lecteur : que je sois aujourd'hui appelé en Allemagne " savant allemand " et en Angleterre " juif suisse ", il n'en est pas moins vrai que si j'étais un jour en situation d'être la " bête noire ", je serais inversement pour les Allemands un " juif suisse " et pour les Anglais un " savant allemand ".