Il n’y a pas de théorie de la relativité — seulement deux théories qui tombent toutes les deux occasionnellement sous le même nom — la théorie de la relativité restreinte et la théorie de la relativité générale. Les deux ont été conçues par le célèbre physicien Albert Einstein entre 1905 et 1915. Ces deux théories ont bouleversé la mécanique classique de Newton, qui avait duré des siècles auparavant.
La théorie de la relativité restreinte est une théorie de la structure de l’espace-temps, qui affirme que 1) les lois de la physique sont les mêmes pour tous les observateurs en mouvement uniforme les uns par rapport aux autres et 2) la vitesse de la lumière dans le vide est la même pour tous les observateurs, quel que soit leur mouvement du mouvement de la source lumineuse. Cela conduit à des conséquences étranges. Par exemple, imaginez vous déplacer dans un train roulant à 100 mph à côté d’un autre train se déplaçant dans la même direction à 100 mph. De votre point de vue, le train à côté de vous semble presque immobile. Mais imaginez être dans un train se déplaçant à la vitesse de la lumière, à côté d’un faisceau lumineux. Au lieu que le faisceau lumineux semble rester immobile, il se déplace devant vous à la vitesse de la lumière. La lumière est étrange de cette façon.
Plusieurs des conséquences qui découlent de la théorie de la relativité restreinte sont 1) la dilatation du temps (les horloges se déplaçant près de la vitesse de la lumière fonctionnent plus lentement que les horloges stationnaires), 2) la contraction de la longueur (les objets se déplaçant près de la vitesse de la lumière semblent être contractés en la direction du mouvement), 3) la relativité de la simultanéité (des choses qui semblent se produire en même temps pour l’observateur fixe A peuvent sembler se produire à des moments différents pour l’observateur en mouvement B), 4) l’équivalence masse-énergie (la masse et l’énergie sont essentiellement la même chose et transmutables l’une dans l’autre).
La théorie de la relativité générale, qui a été conçue quelques années après la théorie de la relativité restreinte, est une théorie du fonctionnement de la gravité. Il était initialement basé sur le principe d’équivalence, l’idée que l’accélération et l’arrêt dans un champ gravitationnel d’une force donnée sont physiquement identiques. Parce qu’aucune force spéciale n’est requise pour créer des effets d’inertie dans un objet en accélération, Einstein a proposé que nous pensions de la même manière à propos de la gravité, en renonçant à la notion classique de force gravitationnelle et en concevant plutôt la gravité comme des courbes dans l’espace-temps. Cela explique des phénomènes tels que le fait que la lumière se courbe en présence d’un champ gravitationnel même si elle manque de masse.
La théorie générale de la relativité fournit des explications et fait des prédictions qui auraient semblé ridicules dans la vision du monde de la mécanique classique. Mis à part la légère courbure en présence d’un champ gravitationnel, il prédit que le temps passe plus lentement en présence d’un champ gravitationnel, les orbites planétaires précessent (changent) en raison du couple exercé par le champ gravitationnel du Soleil, un glissement du cadre se produit, par lequel les corps en rotation entraînent le cadre inertiel de l’espace-temps environnant avec lui, et que l’univers s’étend, dans certains cas plus rapidement que la vitesse de la lumière, car c’est l’espace lui-même qui s’étend, pas les objets qu’il contient.
Démêler les implications de ces théories a pris des décennies, et est toujours en cours aujourd’hui. Les théories d’Einstein étaient si prospectives qu’il a fallu des décennies pour les tester et les confirmer avec une grande précision. Avec le recul, les idées d’Einstein étaient presque complètement validées.