La physique dite relativiste s'applique aux particules dont les vitesses se rapprochent de celle de la lumière ( 300 000 km/s); pour de telles particules, on observe la contraction des longueurs et la dilatation du temps, par ailleurs la relativité impose une limite au niveau des vitesses et nous fait découvrir que la matière n'est en fait qu'une forme d'énergie. Dans sa relativité restreinte (1905), Einstein démontre avec brio que toute description de l'univers n'est possible qu'après avoir établi une relation entre l'espace et le temps, concept à grande portée scientifique qui remplace l'espace traditionnel à trois dimensions par l'espace-temps à quatre dimensions.

1) LA CONTRACTION DES LONGUEURS

La relativité nous apprend que la distance se contracte avec la vitesse: pour un observateur regardant un objet, celui-ci  lui paraîtra d'autant plus aplati dans le sens de son mouvement qu'il se déplacera plus rapidement par rapport à lui. Supposons que la longueur d'une fusée soit de cinq mètres au repos et qu'elle passe devant un observateur à une vitesse de 260 000 km/s, celui-ci la verra sous une longueur de 2,5 m environ avec une largeur et une hauteur inchangées.

2) LA DILATATION DU TEMPS

Une durée paraît d'autant plus longue que la vitesse de l'objet sur laquelle elle est mesurée est plus grande. Un médecin observant par télévision le pouls d'un cosmonaute dans une fusée lancée à 260 000 km/s le verrait battre environ toutes les deux secondes, soit environ deux fois moins vite que si ce cosmonaute avait été au repos par rapport à lui.

3) LOI DE COMPOSITION  DES VITESSES ET VITESSE LIMITE

On peut envisager la situation suivante: si un cycliste roule  dans un train à une vitesse de 20 km/h par rapport au train, alors que le train est lancé à 200 km/h par rapport à un observateur au repos, le cycliste aura une vitesse de 220 km/h par rapport à cet observateur. Ce principe n'est absolument plus valable si on remplace le cycliste par de la lumière: dans le cadre de la théorie de la relativité, la vitesse de la lumière par rapport à l'observateur restera à  300 000 km/s, vitesse qu'on ne peut pas dépasser selon cette même théorie.  Michelson avait inventé une méthode astucieuse pour tenter dépasser cette limite. Il envoyait un rayon lumineux (300 000 km/s) en sens inverse du mouvement de la Terre par rapport au Soleil (29 km/s); il espérait voir la lumière voyager à 300 029 km/s, mais en vain. La loi de composition des vitesses est modifiée pour les particules relativistes. Ainsi, si une fusée se déplace à 1500 000 km/s par rapport à la Terre et si celle-ci lance un missile à 150 000 km/s par rapport à elle et dans le sens de son mouvement, le missile n'aura pas une vitesse de 300 000 km/s par rapport à la Terre, mais seulement une vitesse de 240 000 km/s. Si deux points A et B sont distants de 5 km, un piéton allant à 5 km/h mettra une heure pour parcourir cette distance, alors qu'un piéton allant à 10 km/h (ou un piéton allant à 5 km/h sur  un tapis-roulant qui se déplace également  à 5 km/h) ne mettra qu'une demi-heure. Puisque l'espace et le temps sont reliés, plus la vitesse d'un voyageur est grande quand il arrive au point A, et plus il constatera que la distance AB sera petite. Si la vitesse était égale à celle de la lumière, la distance AB serait nulle. C'est ce principe qui nous permet d'entrevoir les possibilités d'exploration de l'Univers dans le cadre de la Relativité : la diminution des longueurs alliée aux grandes vitesses. Pour un cosmonaute se dirigeant vers Andromède (2 000 000 A.L. de la Terre) à une vitesse proche de celle de la lumière, il mettrait quelques années seulement pour parvenir à destination et ce pour deux raisons: la vitesse relativiste accompagnée de la diminution de la distance pour ce cosmonaute. La relativité interdit que des particules puissent atteindre ou à fortiori dépasser la vitesse de la lumière si on les accélère, mais elle laisse entrouverte la voie conceptuelle de son  dépassement à condition que le procédé utilisé soit différent de l'accélération.

4) ÉQUIVALENCE ENTRE MATIÈRE ET ÉNERGIE

Depuis Einstein, la matière est considérée comme une forme d'énergie. La matière peut se transformer en énergie et réciproquement.  Le calcul de l'énergie qui apparaît se fait en utilisant la célèbre relation d'EINSTEIN:

E = m * c²

m: perte de masse en kilogrammes 
c: vitesse de la lumière (300 000 km/s dans le vide)

Le grand triomphe (d'aucuns prétendront peut-être qu'il s'agit plutôt là d'un désastre...) de la relativité, c'est d'avoir prévu la transformation de la masse en énergie environ 40 ans avant qu'elle ne soit réalisée pour la première fois à Hiroshima.
Avec l'avènement de la mécanique quantique (voir le paragraphe 3), Dirac (1931)  synthétisa l'antiélectron, de même masse que l'électron mais de charge électrique opposée. Cette particule est telle que lorsqu'elle rencontre un électron, toute la matière est transformée en énergie.

Électron + Antiélectron  ------->  Énergie rayonnante

Cette énergie  se calcule en multipliant la constante de Planck par la fréquence de la radiation:

E = constante de Planck * Fréqunce

constante de Planck = 6,62 x 10-34 J.s

Après cette fascinante découverte, d'autres suivirent bien sûr: découverte de l'antiproton et de l'antineutron, et finalement la synthèse de l'antimatière. Tous ces concepts fondamentaux se comprendront  plus facilement si l'on retourne à la structure de l'Univers selon Einstein.

5) L'ESPACE-TEMPS DE LA RELATIVITÉ

Pour Einstein, la description de l'Univers ne peut se pas réaliser sans la constante référence à la  relation entre l'espace et le temps, et c'est pour cette raison qu'il remplace l'espace traditionnel à trois dimensions par l'espace-temps à quatre dimensions. Dans sa Relativité Générale, Einstein eut le génie de comprendre que l'évolution à réaliser était d'ordre géométrique: non seulement les phénomènes sont relatifs à l'Espace-temps, mais ils sont de Espace-temps. Uneparticule de matière n'est autre que de l'espace-temps fortement recourbé. Par la suite, Einstein formule une loi générale qui gouverne la distribution géométrique de l'espace-temps en décrivant les interactions gravitationnelles comme celles produites autour de la matière par une courbure de l'espace-temps. Il est à noter que le temps ne se prolonge pas à l'infini dans le passé, puisqu'il s'arrête à la naissance de l'univers il y a environ quinze milliards d'années. L'espace et le temps sont associés pour donner tous les phénomènes que nous observons; de plus cet espace-temps est fermé sur lui-même et en expansion dans toutes les directions. Si la relativité donne une description satisfaisante du macrocosme de l'univers, elle est beaucoup plus silencieuse en ce qui concerne l'infiniment petit; c'est la mécanique quantique qui donne une explication dans ce domaine.

René-Yves Hervé