Comment introduire la relativité restreinte en terminale ?

Comme chacun le sait, l'année 1905 (annus mirabilis) représente un tournant extraordinaire dans la science physique moderne, et marque une impulsion fondatrice dans le développement des théories fondamentales actuelles. Dans un article au titre d'apparence anodine (« Sur l'électrodynamique des corps en mouvement », 1905), A. Einstein énonce l'essence de la relativité restreinte. Loin d'affirmer un relativisme généralisé, la relativité restreinte (puis la relativité générale) repose au contraire sur un postulat d'absolue objectivité, à savoir que les lois de la physique ne sauraient dépendre de l'état (de mouvement) de celui qui les énonce. Nous verrons comment, à partir de là et du postulat d'invariance de la vitesse de la lumière, les notions de "contraction des longueurs" et de "dilatation des temps" émergent. Déroutantes peut-être au premier abord, nous comprendrons que ces notions, abondamment reprises dans la science-fiction littéraire et cinématographique, n'ont en fait rien d'étonnant et peuvent être naturellement comprises en termes de perspective géométrique. Ce cheminement sera pour nous l'occasion d'introduire les notions de temps et de référentiel propres, ainsi que la construction des diagrammes d'espace-temps. Nous redécouvrirons alors l'importance de la notion de simultanéité qui a guidé les pères fondateurs de la relativité restreinte.

Si le temps le permet, nous ferons quelques pas vers la cinématique relativiste pour retrouver, et replacer dans son contexte entier, le fameux E=mc². En cours de route, nous pourrons comprendre les processus élémentaires au cœur des réactions qui libèrent l'énergie tant dans les étoiles que dans les réacteurs nucléaires. Enfin, nous évoquerons certains "paradoxes" célèbres associés à la relativité restreinte, et nous rappellerons que leur émergence n'est essentiellement due qu'à une formulation imprécise, incomplète voire incorrecte des situations physiques considérées.

Note biographique :

Après une formation en Physique Fondamentale à l'Université Pierre et Marie Curie, Mathieu Langer, dès son année de DEA, a séjourné plusieurs fois à l’Université d'Oxford, d'abord comme étudiant et doctorant, puis comme post-doc et tuteur inter-collégial. Maître de conférences à l'Université Paris-Sud depuis 2005, il enseigne, à Orsay et en région parisienne, les fondations de la physique théorique (physique quantique, mécanique analytique, relativité restreinte, systèmes dynamiques), la cosmologie moderne et l'astrophysique, de la licence (3e année) au doctorat, ainsi que les outils mathématiques pour la physique.

En parallèle à ses activités de recherche de théoricien à l'Institut d'Astrophysique Spatiale – dédiées à l'origine des champs magnétiques dans l'univers, à l'époque de la formation des premières étoiles et galaxies, et à l'accélération récente de l'expansion de l'univers – il mène, sur son temps libre, une activité de comédien dans La Compagnie du Ciel et de ténor dans le chœur Varia Voce. Quand il n'est ni plongé dans ses calculs, ni dans un amphitheâtre ou en salle de Travaux Dirigés, ni sur les planches ou en studio, il voyage volontiers, tant physiquement que dans les livres. Une de ses passions: le langage et les langues, dont il enrichit sans cesse sa propre connaissance.