Cahier de physique

Les transformations de Lorentz

Quatre lignes de calcul pour passer d'un référentiel à un autre. Elles remplacent Galilée, interdisent de dépasser la lumière, déplacent les étoiles dans le ciel et changent leur couleur.

Un même événement, une explosion par exemple, reçoit deux jeux de coordonnées de la part de deux observateurs. La transformation de Lorentz est la règle qui traduit l'un dans l'autre. Elle se comporte comme une rotation, mais d'un genre particulier : elle écrase le plan selon une diagonale et l'étire selon l'autre, en laissant les rayons lumineux (en jaune) sur eux-mêmes.

Une grille de l'espace-temps (espace à l'horizontale, temps à la verticale) déformée par une vitesse qui varie. Les rayons lumineux ne bougent pas : c'est toute la transformation.

Planche 1

Passer d'un référentiel à un autre

Un observateur S′ file à la vitesse v le long de l'axe x de S. Leurs origines coïncident à t = t′ = 0. Pour un événement de coordonnées (x, t) dans S, voici ce qu'écrit S′ :

x′ = γ(x − vt)     t′ = γ(t − vx/c²)     y′ = y     z′ = z

Faites glisser l'événement rouge : le point violet donne ses coordonnées dans S′. Le curseur « déformation » fait passer de la grille de S à celle qu'emploie S′ : c'est une image de ce que le calcul fait à tout le plan. Avec c = 1, tous les axes ont la même unité.

En gris, la grille fixe de S. En bleu, la grille déformée. En vert, l'hyperbole sur laquelle l'événement reste quelle que soit la vitesse de l'observateur.


  est la matrice qui agit sur (x, t), de déterminant .

Ses deux valeurs propres sont k et 1/k, avec k = √((1+β)/(1−β)) = . Leurs directions propres sont les deux rayons lumineux.

Retour : appliquer la transformation de −β, écart à (x, t)
Invariant : t² − x² dans S / dans S′
Rayon x = t : vitesse après transformation
Rapidité φ, telle que tanh φ = β
Ce qu'il faut retenir. La transformation est réversible : le retour se fait avec la même formule et −v, comme l'exige le premier postulat. Elle conserve t² − x², comme une rotation conserve x² + y², avec un signe en moins. Elle s'écrit d'ailleurs comme une rotation dont les sinus et cosinus seraient hyperboliques : x′ = x cosh φ − t sinh φ, t′ = t cosh φ − x sinh φ. Les distances perpendiculaires au mouvement ne changent pas.
Planche 2

La comparaison avec Galilée

Galilée écrit x′ = x − vt et t′ = t. Pourquoi cette formule a-t-elle tenu deux siècles ? Parce qu'elle est la limite de Lorentz quand c devient très grand devant v. Ici, v = 1 m/s est fixe et l'on fait varier c : à vous de voir à partir de quand la grille de Lorentz ne se distingue plus de celle de Galilée.

Lorentz : les axes x′ et t′ penchent tous deux, vers le rayon jaune.

Galilée : seule la ligne d'univers penche, les instants restent horizontaux, le rayon jaune n'a aucun rôle.

Événement (6 m ; 3 s) : x′ Lorentz / Galilée
t′ Lorentz / Galilée
Écart sur x′ quand c est doublée : divisé par
Écart sur t′ quand c est doublée : divisé par
Vitesse de la lumière vue de S′ : Lorentz / Galilée (vers l'avant)
Deux changements successifs de 0,6 c et 0,6 c, résultat
GrandeurGaliléeLorentz
Date tinchangéechange : t′ = γ(t − vx/c²)
Distance entre deux points au même instantinchangéecontractée par γ dans le sens du mouvement
Vitesse de la lumièrec − v, c + vc dans toute direction
Grandeur invariantet et distance à t fixé, séparémentc²t² − x² − y² − z²
Composition de deux vitessesv₁ + v₂(v₁ + v₂)/(1 + v₁v₂/c²)
Équations de Maxwellchangent de formegardent leur forme
Lois de Newton, écrites telles quellesgardent leur formedoivent être corrigées
Ce qu'il faut retenir. Les écarts ne disparaissent pas au même rythme. L'écart sur x′ est de l'ordre de v²/c², celui sur t′ de l'ordre de vx/c² : le temps se sépare avant l'espace, et d'autant plus que la distance est grande. C'est pourquoi la relativité de la simultanéité est le premier effet qu'on oublie, et le dernier qu'on découvre.
Planche 3

La composition relativiste des vitesses

Dans un train à la vitesse v, on lance un objet à la vitesse u. Sa vitesse vue du quai n'est pas u + v. On la trouve en transformant deux événements de son mouvement :

w = (u + v) / (1 + uv/c²)

En rouge, l'objet réel. En pointillé orange, ce qu'annonce l'addition simple. En jaune, un éclair parti au même moment : l'objet ne le rattrape jamais.

Vitesse vue du quai selon u. La droite orange (u + v) franchit c. La courbe bleue s'y arrête.

Vitesse mesurée, en transformant deux événements
Formule (u + v)/(1 + uv/c²)
Addition simple u + v
Rapidités : atanh u + atanh v, puis tanh (écart)
Associativité : (u ⊕ v) ⊕ 0,3 contre u ⊕ (v ⊕ 0,3)
Mettez u à 1 : quelle que soit v, le résultat vaut exactement 1. La vitesse de la lumière est le point fixe de cette opération. Et aucune suite de poussées, même infinie, ne l'atteindra. Les rapidités, elles, s'additionnent simplement : elles sont la bonne mesure du « combien plus vite ».

En 1851, Fizeau mesure la lumière dans un courant d'eau. Dans l'eau, elle va à c/n ; si l'eau coule à v, l'addition simple donne c/n + v. Il trouve bien moins : une fraction de v seulement, comme si l'éther n'était qu'à demi entraîné. Fresnel l'avait prévu en 1818 avec une hypothèse ad hoc. En 1907, Laue montre qu'il suffit de composer les vitesses.

Deux faisceaux parcourent le tube, l'un avec le courant, l'autre à contre-courant. Le rouge est le résultat composé, le pointillé orange l'addition simple. L'écart est considérablement exagéré quand v est petit.

Gain de vitesse selon l'addition simple
Gain de vitesse selon la composition
Coefficient d'entraînement : gain/v
Coefficient de Fresnel 1 − 1/n²
Franges prévues avec le montage de Fizeau, éther fixe / entraîné
Mesures0,23 frange (1851) ; 0,434 (1886)
Pour de l'eau, le coefficient vaut 0,437. Michelson et Morley mesurent 0,434 en 1886. Ce résultat, longtemps tenu pour une preuve de l'éther, est en fait une conséquence directe de la formule de composition : Fresnel avait raison sur le chiffre, mais il n'avait pas besoin de l'éther. Le chiffre de 1851 est le déplacement des franges (0,207 prévu, 0,23 mesuré).

Quand les deux vitesses ne sont pas alignées, une surprise apparaît. Faire une poussée selon x puis une poussée selon y ne donne pas la même chose que l'inverse. Les deux résultats vont à la même vitesse, mais dans des directions différentes. Leur différence est une rotation pure, sans qu'on ait rien fait tourner : c'est la rotation de Wigner.

En bleu : poussée x puis y. En rouge : poussée y puis x. Les vitesses finales font un angle. Le repère violet montre la rotation qui reste.

Vitesse finale, dans les deux ordres
Angle entre les deux directions
Rotation extraite du produit de matrices
Formule tan ε = γ₁γ₂β₁β₂/(γ₁ + γ₂)
Les poussées ne forment donc pas un groupe à elles seules : il faut y ajouter les rotations. Sur une orbite, cet effet s'accumule : c'est la précession de Thomas (1926), qui a résolu une erreur d'un facteur 2 dans la structure fine de l'atome. Une conséquence purement cinématique de Lorentz, sans aucune force qui fasse tourner.
Planche 4

L'aberration de la lumière

En voiture sous la pluie, les gouttes paraissent venir de l'avant. De même, un télescope sur une Terre en mouvement doit être légèrement incliné vers l'avant. Bradley découvre cet effet en 1728. Lorentz en donne la version exacte.

Dans le référentiel de l'étoile : l'éclair descend à la verticale. Le télescope avance, et il faut qu'il soit penché pour que la lumière le traverse sans en toucher les parois.

Inclinaison vue depuis l'étoile : tan α = β
Inclinaison pour l'observateur (Lorentz, sur le rayon)
sin α = β
Calcul classique : tan α = β
Terre, 29,78 km/s : aberration en secondes d'arc

Pour une étoile dans une direction quelconque, la formule est cos θ′ = (cos θ + β)/(1 + β cos θ). Elle agit sur tout le ciel, et sur l'émission d'une source. Une source qui rayonne uniformément dans son référentiel projette, vue en mouvement, l'essentiel de sa lumière vers l'avant : c'est l'effet phare des électrons dans un synchrotron.

Direction vue en mouvement selon la direction vue au repos. La diagonale grise correspond à l'absence d'effet. En bas à droite, un cône très étroit.

Vingt-quatre rayons émis également dans toutes les directions par une source au repos, en gris, et les mêmes vus quand elle file vers la droite, en bleu.

Le rayon émis à 90° arrive à
arccos β (angle du demi-cône)
Part des rayons renvoyée vers l'avant : (1 + β)/2
Approximation 1/γ en radians, à β proche de 1
Ce qu'il faut retenir. Les deux calculs ne diffèrent, pour la Terre, que de 5·10⁻¹³ radian environ : Bradley n'avait aucune chance de les séparer. Mais près de c, la différence est totale : la formule classique plafonne à 45°, la vraie à 90°. Le lien entre les deux tient à la contraction : vu depuis l'étoile, le tube, raccourci de γ dans le sens du mouvement, paraît incliné de tan α = β, alors que l'observateur le tient incliné de sin α = β.
Planche 5 · signature

L'effet Doppler relativiste et le ciel du voyageur

Une sirène qui approche monte dans les aigus. La lumière d'une source en mouvement fait de même, avec un ingrédient de plus : l'horloge de la source elle-même ralentit. Même une source qui passe sur le côté, sans s'approcher, voit sa fréquence diminuer. C'est le Doppler transverse, inconnu de la physique classique.

Vagues émises par une source qui va vers la droite. Son horloge bat γ fois moins vite vue d'ici. La flèche marque l'observateur lointain, dans la direction choisie.

Spectre visible. Trait noir : la raie au repos. Trait blanc : la raie reçue par l'observateur.

Rapport de fréquences mesuré (temps d'arrivée de deux crêtes)
Formule 1/[γ(1 − β cos θ)]
Doppler classique 1/(1 − β cos θ)
En face (θ = 0) : √((1+β)/(1−β))
Longueur d'onde reçue
À θ = 90°, le calcul classique annonce 1, et la relativité 1/γ : tout l'écart est là. C'est ce qu'Ives et Stilwell ont vérifié en 1938, en observant des atomes d'hydrogène rapides, dans les deux sens à la fois, pour éliminer l'effet de premier ordre.

Pourquoi l'aberration et Doppler vont-ils ensemble ? Parce qu'une onde plane a une phase, kx − ωt, qui compte des crêtes : elle ne peut pas dépendre de l'observateur. Pour cela, (ω, k) doit se transformer exactement comme (t, x) : c'est un quadrivecteur. La composante temporelle donne Doppler. La direction donne l'aberration. Une seule transformation fait les deux.

Un rayon lumineux dans le plan (kx, ω). Son image par Lorentz reste sur le cône ω = |k| : c'est le seul déplacement permis à un photon.

ω′/ω
γ(1 − β cos θ)
θ′ (par arctan k′y/k′x)
arccos[(cos θ − β)/(1 − β cos θ)]
ω′² − |k′|² (reste sur le cône)
Phase en un événement test : écart S / S′
Tout objet qui se transforme de cette façon a les mêmes propriétés : énergie et impulsion (E, p) en est un autre, et la relation ω² = k² devient E² = p²c². Cette manière de voir conduit directement à E = mc².

Réunissons le tout. Voici tout le ciel vu par un voyageur, le centre étant la direction de son mouvement, et le bord celle qu'il fuit. Les étoiles se resserrent vers l'avant (aberration), bleuissent et s'illuminent devant lui (Doppler), rougissent et s'éteignent derrière.

Carte azimutale équidistante du ciel entier : la distance au centre est l'angle à la direction de marche. Une bande dense suggère la Voie lactée. Le cercle marque ce qui était à 90° au repos. Couleurs et éclats : température × D et éclat × D⁴, schématiques.

Étoiles dans l'hémisphère avant : décompte (2 000 étoiles)
Prévision pour un ciel uniforme : (1 + β)/2
Facteur Doppler droit devant
Facteur Doppler droit derrière
Ancien horizon (90°) vu à
Cet effet existe, à notre vitesse. La Terre se déplace à environ 370 km/s par rapport au fond diffus cosmologique. Il en résulte une différence de température de 3,362 mK, d'un côté à l'autre, pour une moyenne de 2,7255 K : ΔT/T = , soit v = . C'est exactement l'effet Doppler de cette planche, et l'un des signaux les plus précisément mesurés de l'astronomie.

Une transformation, cinq épreuves

DateObservationEffetRésultat
1728BradleyAberration des étoilesEnviron 20″, soit c ≈ 301 000 km/s
1851, 1886Fizeau ; Michelson et MorleyLumière dans l'eau en mouvement0,434 contre 0,437 prévu
1938Ives et StilwellDoppler du second ordreAccord à quelques pour cent sur le terme relativiste
2014Botermann et coll.Doppler à 0,338 c, ions lithiumAccord à ±2,3·10⁻⁹
COBE à PlanckDipôle du fond diffusDoppler à 370 km/s3 362,08 ± 0,64 µK

Une rotation d'espace-temps

Lorentz mêle x et t comme une rotation mêle x et y, avec un signe en moins. Elle laisse les rayons lumineux et l'invariant t² − x² inchangés.

Galilée, sa limite

À basse vitesse, elle redevient x − vt et t. Le terme en vx/c² est le premier à compter, et le plus difficile à voir.

Un seul calcul, plusieurs effets

Composition, aberration et Doppler ne sont pas trois lois : ce sont trois lectures de la même transformation.
Pour aller plus loin

Pourquoi les vitesses ne se composent-elles pas par addition ? Une vitesse est un rapport Δx/Δt, et les deux termes se transforment. L'addition des vitesses suppose t′ = t. Dès que t′ dépend de x, le dénominateur change, et apparaît le 1 + uv/c².

Voit-on vraiment ce ciel ? Oui, en principe, et l'image ci-dessus utilise les bonnes directions. Les couleurs sont simplifiées : en réalité, le rayonnement d'une étoile glisse dans le spectre, et l'infrarouge ou l'ultraviolet entrent ou sortent du domaine visible. L'étude de ces effets relativistes à grande vitesse est un exercice classique en infographie.

Dans la même série. origines-relativite-v1.html, postulats-einstein-v1.html, simultaneite-v1.html et dilatation-contraction-v1.html pour ce qui précède ; emc2-v1.html pour l'énergie et l'impulsion.

Sources principales. Einstein, 1905 ; Laue, Annalen der Physik 23, 1907 ; Michelson et Morley, American Journal of Science 31, 1886 ; Planck 2018, résultats III ; Botermann et coll., Physical Review Letters 113, 2014.