Pour décrire un mouvement, ainsi que pour énoncer les lois fondamentales de la physique, on doit pouvoir situer un objet dans l'espace et décrire son évolution dans le temps. Ainsi, on est amené à mesurer des distances et à utiliser un référentiel, i.e. un repère d'espace et une échelle de temps. On veut que le résultat de nos mesures ne dépende ni d'un choix particulier d'origine d'espace (espace homogène) et de temps (temps uniforme), ni d'une direction privilégiée de l'espace (espace isotrope). Nous supposerons donc un espace euclidien* , homogène** , isotrope*** et immuable, c'est-à-dire un espace absolu.
Le premier principe de Newton, ou principe d'inertie, énonce que tout corps ne subissant aucune force est soit au repos soit en mouvement rectiligne uniforme. Autrement dit, les mouvements relatifs de corps se trouvant dans un laboratoire sont les mêmes que ce laboratoire soit immobile ou animé d'un mouvement de translation rectiligne et uniforme.
On appelle référentiel d'inertie (ou référentiel Galiléen) un référentiel dans lequel ce principe est vérifié. Ainsi, aucune expérience dans un référentiel en mouvement de translation rectiligne et uniforme ne permet de mesurer la vitesse du référentiel.
Le principe de relativité de Newton énonce que les lois fondamentales de la physique sont les mêmes dans tout référentiel d'inertie
La mécanique Newtonienne suppose également que le temps est un temps uniforme et absolu .****
Dire que l'espace est homogène, c'est dire que le résultat d'une éxpérience ne dépend pas du lieu où elle est faite. On parle dans ce cas d' invariance par translation dans l'espace.
Dire que l'espace est isotrope, c'est dire que le résultat d'une éxpérience ne dépend pas de l'orientation du laboratoire dans l'espace. On parle dans ce cas d' invariance par rotation dans l'espace.
Dire que le temps est uniforme, c'est dire qu'il y a reproductibilité dans le temps d'une expérience faite dans les mêmes conditions. C'est à dire que le résultat de l'éxpérience ne peut pas dépendre du moment où elle est faite. On parle dans ce cas d' invariance par translation dans le temps.
Dire que le temps est absolu ou universel, c'est dire qu'il suffit d'une seule horloge pour mesurer le temps dans tous les référentiels d'inertie et qu'il est donc sans importance de savoir où elle se situe dans l'espace. La mesure du temps est la même en passant d'un référentiel d'inertie à un autre.
Dans ce cas la simultanéité de deux phénomènes est vrai ou exacte quel que soit le choix du référentiel d'inertie. On parle de simultanéité absolue.
On pourrait montrer que, pour un système isolé dans un référentiel d'inertie***** , à l'uniformité du temps est associé la conservation de l'énergie, à l'homogénéité de l'espace est associée la conservation de l'impulsion ou quantité de mouvement, et à l'isotropie de l'espace la conservation du moment cinétique.
On appelle un événement****** un point dans l'espace à un temps fixé. Ainsi, un événement est déterminé par l'ensemble des quatre variables de cet espace-temps absolu, trois coordonnées d'espace et une de temps. Deux événements sont simultanés dans un référentiel s'ils se produisent au même instant. Il n'est pas nécessaire que ce soit au même endroit.
Suivre le mouvement ou le repos d'un point matériel dans l'espace-temps, c'est donc suivre sa trajectoire dans l'espace et le temps (une succession d'événements). On parle dans ce cas de ligne d'univers !
*Espace basé sur la géométrie Euclidienne, permettant d'introduire la notion usuelle de distance.
**Le résultat d'une expérience ne dépend pas de l'endroit où se déroule l'expérience. Tous les points de l'espace sont équivalents.
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Espace dans lequel il n'y a pas de direction privilégiée.
****Le temps s'écoule de façon identique quelque soit le référentiel dans lequel se trouve l'observateur.
*****Le premier principe de Newton ou principe d'inertie, énonce que tout corps ne subissant aucune force est soit au repos soit en mouvement rectiligne uniforme. On appelle référentiel d'inertie (ou référentiel Galiléen) un référentiel dans lequel ce principe est vérifié.
******Un événement qui est caractérisé par un quadruplet (t,x,y,z) dans un référentiel donné est un point de l'espace-temps.