RELATIVITÉRelativité générale

En physique, le vocable « relativité » recouvre deux concepts très différents. Celui de relativité restreinte (qui a remplacé la relativité galiléenne) spécifie la structure cinématique de l'espace-temps. Cette structure, d'abord suggérée par l'étude de l'électromagnétisme, a fourni un cadre général pour la description de toutes les autres lois fondamentales de la nature, à l'exception de la gravitation, dont la formulation constitue le domaine de la relativité générale. Cette dernière théorie apporte une modification profonde au concept d'espace-temps, lequel cesse d'être une arène neutre, servant de simple cadre de déploiement à l'existence et à l'évolution de la matière, pour devenir une entité dynamique, influencée par et influençant la distribution d'énergie qu'il contient, et évoluant au même titre que les autres champs physiques. Cependant, la relativité générale est restée longtemps en marge du développement général de la science, car elle apparaissait comme une théorie mal confirmée et peu utile. Cette situation a changé depuis les années 1960 grâce à divers facteurs : développement de la gravitation expérimentale, découverte des quasars, des pulsars, etc., exploration théorique du régime des champs gravitationnels forts (objets condensés, trous noirs) et de celui des champs gravitationnels rapidement variables (rayonnement gravitationnel). De plus, les tentatives modernes d'unification des interactions fondamentales dans le cadre de la théorie quantique des champs ont suscité des recherches nouvelles sur les rapports entre la relativité générale, la théorie quantique et les autres forces, stimulant par là la création, ou le développement, de nouvelles théories physiques, comme la supergravité ou la théorie des cordes.

Théorie de la relativité

L'addition vectorielle des vitesses est un fait d'expérience. Ainsi, par rapport à un spectateur immobile, une personne se déplaçant sur un tapis roulant en sens inverse fait du surplace. À l'arrêt, elle se déplacera avec le tapis. Enfin, les deux vitesses s'ajoutent lorsque le marcheur et... 

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Principe d'équivalence

Masse inertielle et masse gravitationnelle

Le fait expérimental fondamental qui a conduit à la relativité générale est l'égalité entre la masse inertielle et la masse gravitationnelle. Les expériences de Galilée sur la chute des corps suggéraient déjà que l'accélération due au champ de gravitation de la Terre est indépendante de la masse et de la nature des corps. Les premières expériences modernes démontrant cette égalité avec une haute précision sont celles du baron Roland von Eötvös. La précision de ce type d'expérience a été considérablement affinée par Robert H. Dicke et Vladimir B. Braginskii (qui utilisaient l'accélération due au champ de gravitation du Soleil) et, plus récemment, par Eric G. Adelberger. On sait maintenant, grâce à ces expériences extrêmement délicates, que le rapport entre la masse inertielle et la masse gravitationnelle (qui est constante pour chaque substance) est une constante universelle pour toute la matière, la précision de mesure atteinte (de l'ordre de 10^—12) étant l'une des meilleures de toute la physique. Afin de comprendre la signification de ce résultat, il convient d'examiner la définition des deux types de masse dans la dynamique galiléenne de Newton. On y suppose que tout corps possède une masse inertielle spécifique m_I qui mesure sa réponse à la sollicitation de n'importe quelle force extérieure. Elle est déterminée de façon purement cinématique par la loi d'action et de réaction, qui entraîne la loi de conservation de la quantité de mouvement : Relativement à un corps de référence (m⁰_I), le rapport m_I/m⁰_I est l'inverse de celui des variations de leurs vitesses au cours d'une collision élastique mutuelle ; quant à la masse gravitationnelle m_g, elle intervient dans l'expression du mouvement d'une particule soumise à une force particulière, la gravitation. Cette masse détermine l'intensité de l'attraction éprouvée par ce corps dans un champ de potentiel gravitationnel U au moyen de l'équation de Newton :

Alors que m_I et m_g sont des propriétés intrinsèques du corps, U est une propriété du milieu extérieur. (La description newtonienne, moins précise, du phénomène de gravitation est provisoirement utilisée ici afin d'aider à comprendre qualitativement celle de la relativité générale.)

La masse gravitationnelle est donc tout à fait analogue à la charge électrique e d'une particule, laquelle dé [...]

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