Tentons une nouvelle fois d'obtenir des réponses de la part de richou, qui est encore plus fuyant qu'une savonnette ...
Les questions pour lesquelles j'attends des réponses seront précisées en
ROUGE. Les réponses attendues consiste en OUI où NON, pas la peine de plus de détails !
démonstration:
Soit un référentiel
\({\cal R}\) où les coordonnées sont repéré par
\(t\),
\(x\),
\(y\) et
\(z\) de métrique diagonal et de signature (1,-1,-1,-1), l'équation d'onde dans
\({\cal R}\) pour une OEM se propageant sur l'axe
\(x\) s'exprime:
\(\left(\frac{\partial^2}{c_s^2 \partial t^2} - \frac{\partial^2}{\partial x^2}\right) \Phi(x,t) = 0\)
Avec
\(\Phi(x,t)\) une fonction d'onde, et
\(c_s\) la vitesse de propagation de cette onde dans le référentiel
\({\cal R}\).
On va chercher ce que vaut cette vitesse dans un référentiel
\({\cal R}'\).
1) Comprend-tu le principe de base ?
Ok, donc maintenant on va prendre un référentiel
\({\cal R}'\) (où les coordonnées sont repéré par
\(t'\),
\(x'\),
\(y'\) et
\(z'\) de métrique diagonal et de signature (1,-1,-1,-1)) relié à
\({\cal R}\) via les tranfo générales suivantes:
\({\rm d}x' = a_1 {\rm d}x %2b a_2 c{\rm d}t\)
\(c{\rm d}t' = a_3 {\rm d}x %2b a_4 c{\rm d}t\)
Où
\(a_1\),
\(a_2\),
\(a_3\) et
\(a_4\) sont des grandeurs scalaires de
\({\bb R}\), qui seront explicitées plus tard en fonction des transformations considérées (TLs où TGs)
Notons aussi que la grandeur
\(\Phi(x,t)\) devient
\(\Phi '(x',t')\) dans
\({\cal R}'\). Ces fonction suivent la relation
\(\Phi '(x',t') = \Phi (x,t)\).
2) Comprends-tu que la transformation qui lie les coordonnées, dans deux référentiels différents, d'un même point de l'espace-temps, est indépendant du formalisme eulérien où lagrangien ?
Complément : En effet ici on parle de l'objet "point de l'espace-temps". Peut-importe comment on va utiliser ces points de l'espace-temps pour décrire l'onde, il reste des points de l'espace-temps. Et un point fixe dans
\({\cal R}\), ne peut pas l'être dans
\({\cal R}'\), sinon ce n'est pas le même point à tout instant !!!
Soit ... écrivons comment se transforment des dérivées partiels selon les transformations générales précédemment décrites:
soit
\(F\) une fonction quelconque:
\({\rm d}F = \frac{\partial F}{c\partial t} c{\rm d}t %2b \frac{\partial F}{\partial x} {\rm d}x\)
\({\rm d}F = \frac{\partial F}{c\partial t'} c{\rm d}t' %2b \frac{\partial F}{\partial x'} {\rm d}x'\)
3) Ces transformations sont valides pour toute fonction dérivable, le nie tu ?
appliquons la transformation générale
\({\rm d}F = \frac{\partial F}{c\partial t'}(a_3 {\rm d}x %2b a_4 c{\rm d}t) %2b \frac{\partial F}{\partial x'} (a_1 {\rm d}x %2b a_2 c{\rm d}t)\)
regroupons les termes:
\({\rm d}F = (a_3 \frac{\partial F}{c\partial t'} %2b a_1 \frac{\partial F}{\partial x'}){\rm d}x %2b (a_4 \frac{\partial F}{c\partial t'} %2b a_2 \frac{\partial F}{\partial x'})c{\rm d}t\)
par identification on déduit:
\(\frac{\partial}{\partial x} = a_3 \frac{\partial}{c\partial t'} %2b a_1 \frac{\partial}{\partial x'}\)
\(\frac{\partial}{c\partial t} = a_4 \frac{\partial}{c\partial t'} %2b a_2 \frac{\partial}{\partial x'}\)
on met au carré:
\(\frac{\partial^2}{\partial x^2} = a^2_3 \frac{\partial^2}{c^2\partial t'^2} %2b 2a_1 a_3 \frac{\partial^2}{c \partial t' \partial x'} %2b a^2_1 \frac{\partial^2}{\partial x'^2}\)
\(\frac{\partial^2}{c^2\partial t^2} = a^2_4 \frac{\partial^2}{c^2\partial t'^2} %2b 2a_2 a_4 \frac{\partial^2}{c \partial t' \partial x'} %2b a^2_2 \frac{\partial^2}{\partial x'^2}\)
4) Ces relations sont correctes et sont aisément vérifiables avec une analogie avec les rotations dans l'espace, le nie tu ?
5) Il serait aberrant de prétendre que la variation de \(F\) selon \(t\) pour \(x\) constant est égale à la variation de \(F\) selon \(t'\) pour \(x'\), compte tenu des relations qui lie ces quatre variables, le nie tu ?
6) C'est pourtant ce que tu avait prétendu en écrivant \(\frac{\partial^2}{\partial t^2} = \frac{\partial^2}{\partial t'^2}\), le nie tu ?
Pour simplifier les notations, on définit
\(\beta_s = \frac{c_s}{c}\)
On y est, injectons cela dans l'équation d'onde:
\(\left( \frac{\partial^2}{c_s^2 \partial t^2} - \frac{\partial^2}{\partial x^2} \right) \Phi(x,t) = 0\) dans
\({\cal R}\), qui devient dans
\({\cal R}'\):
\(\Bigg[ \left(\frac{a^2_4}{\beta_s^2}-a^2_3 \right)\frac{\partial^2}{c^2 \partial t'^2} %2b 2\left(\frac{a_2 a_4}{\beta_s^2} - a_1 a_3\right)\frac{\partial^2}{c \partial t' \partial x'}\)\(%2b \left(\frac{a^2_2}{\beta_s^2} - a^2_1 \right)\frac{\partial^2}{\partial x'^2} \Bigg]\Phi '(x',t') = 0\)
Bon on as presque fini ... prenons une transfo de Galilée :
\(a_1 = 1\)
\(a_2 = -v/c\)
\(a_3 = 0\)
\(a_4 = 1\)
7) En prétendant \(a_2 = 0\) alors que \(v \neq 0\), il est impossible de suivre le même point dans \({\cal R}\) et \({\cal R}'\) à tout instant, le nie tu ?
8) C'est pourtant ce que tu avais fait en disant \({\rm d}x' = {\rm d}x\), le nie tu ?
Complément : car tu confondait naïvement l'indifférentiabilité des référentiels inertiels avec un changement de référentiel.
D'ailleurs ta version relativiste de la chose illustrait toute ta confusion sur la question !
Remplaçons ...
\(\Bigg[\frac{\partial^2}{c_s^2 \partial t'^2} - 2 \frac{v}{c_s} \frac{\partial^2}{c_s \partial t' \partial x'} -\)\(\left( 1 - \frac{v^2}{c_s^2} \right) \frac{\partial^2}{\partial x'^2} \Bigg] \Phi '(x',t') = 0\)
Aïe, Aïe, Aïe ... quelle sale tête ...
Essayons un truc, cherchons la solution d'une équation de la forme:
\(\frac{\partial \Phi'}{\partial t'} = w\frac{\partial\Phi'}{\partial x'}\), avec ici
\(w\) la vitesse de l'onde dans
\({\cal R}'\)
on as alors:
\(\frac{w^2}{c_s^2} - 2\frac{vw}{c_s^2} %2b \frac{v^2}{c_s^2} -1 = 0\)
On obtient comme solution (le signe à considérer dépend du sens de propagation de l'onde)
\(w_{%2b} = v %2b c_s\)
\(w_{-} = v-c_s\)
On retrouve la loi d'additivité des vitesses de la physique galiléenne ... certes par un chemin un peu alambiqué

.
Celle-ci ést bien-sur invalidée par exemple par toutes les expériences ayant testées la constance de
\(c\) dans les référentiels inertiels.
Donc les TGs, ne fonctionnent pas, et donnent des prédiction en désaccords avec les observations !!!
9) En posant \(\frac{\partial^2}{\partial t^2} = \frac{\partial^2}{\partial t'^2}\) et \(\frac{\partial^2}{\partial x^2} = \frac{\partial^2}{\partial x'^2}\), tu prétendais que la vitesse d'un onde, sonore par exemple, ne changeait pas lors d'un changement de référentiel, le nie tu ?
10) Cette affirmation est cependant infirmée par des observations connues dès le 18ième siècle, le nie tu ?
11)En proposant de suivre un point M "attaché" à l'onde, tu te place alors dans un référentiel où l'onde est immobile (de vitesse nulle donc), le nie tu ?
12) Tu as tour à tour fait ces deux assertions qui sont incohérentes, le nie tu ?
Essayons avec les TLs (avec
\(\gamma = \left(1-\beta^2 \right)^{-1/2}\) et
\(\beta = v/c\)):
\(a_1 = \gamma\)
\(a_2 = -\gamma \beta\)
\(a_3 = -\gamma \beta\)
\(a_4 = \gamma\)
on injecte et on obtient:
\(\Bigg[\left(\frac{1}{\beta_s^2}-\beta^2\right)\gamma^2 \frac{\partial^2}{c^2 \partial t'^2} %2b 2\left(1-\frac{1}{\beta_s^2}\right)\gamma^2 \beta \frac{\partial^2}{c \partial x' \partial t'}\)\(%2b \gamma^2\left(\frac{\beta^2}{\beta_s^2}-1\right)\frac{\partial^2}{\partial x'^2} \Bigg] \Phi '(x',t') = 0\)
Vous me direz, ça à aussi une sale tête

. Cherchons maintenant
\(\beta' = \frac{w}{c}\) avec
\(w\) la vitesse de l'onde dans
\({\cal R}'\). Toujours en cherchant une solution de la forme
\(\frac{\partial \Phi'}{\partial t'} = w\frac{\partial\Phi'}{\partial x'}\).
on as alors:
\(\left(\frac{1}{\beta_s^2}-\beta^2\right)\gamma^2\beta'^2 %2b 2\left(1-\frac{1}{\beta_s^2}\right)\gamma^2 \beta \beta' %2b \gamma^2\left(\frac{\beta^2}{\beta_s^2}-1\right) = 0\)
Juste une petit polynome du second degré ... bon un peu bourrin d'un point de vue "formel" alors on va aider les plus démunie en math et faire la résolution pas à pas:
Nous avons un polynome de la forme
\(ax^2 %2b bx %2b c = 0\), les solution sont donc de la forme:
\(x = \frac{-b \pm \sqrt{\Delta}}{2a}\)
avec
\(\Delta = b^2 - 4ac\)
Dans notre cas:
\(\Delta = 4\left( 1-\frac{1}{\beta_s^2} \right)^2\gamma^4\beta^2-4\left(\frac{1}{\beta_s^2}-\beta^2\right)\gamma^4\left(\frac{\beta^2}{\beta_s^2} -1\right)\)
Bon je vous rassure ça se réduit plutôt bien:
\(\Delta = 4 \frac{\gamma^4}{\beta_s^2}(1-\beta^2)^2 = \frac{4}{\beta_s^2}\)
Maintenant on peut écrire les solutions (le signe à considérer dépend du sens de propagation de l'onde):
\(\beta'_{%2b} = \frac{\left( 1- \beta_s^2\right)\gamma^2\beta %2b \beta_s}{\gamma^2\left( 1-\beta^2\beta_s^2 \right)} = \frac{\beta %2b \beta_s}{1%2b\beta \beta_s}\)
\(\beta'_{-} =\frac{\left( 1- \beta_s^2\right)\gamma^2\beta - \beta_s}{\gamma^2\left( 1-\beta^2\beta_s^2 \right)}= \frac{\beta - \beta_s}{1 -\beta \beta_s}\)
On retrouve la loi bien connue de composition des vitesses en RR. Et la fonction d'onde satisfait l'équation:
\(\left(\frac{1}{w^2}\frac{\partial^2}{\partial t'^2} - \frac{\partial^2}{\partial x'^2} \right)\Phi'= 0\)
Avec une vitesse
\(w\) qui se transforme en accord avec les observations lors d'un changement de référentiel.
On constate bien que pour
\(\beta = 1\) (
\(v=c\)) alors
\(\beta' = 1\) où aussi
\(\beta_s = 1\) (
\(c_s=c\)) alors
\(\| \beta' \| = 1\) ... et donc l'équation d'onde est bien conservée

.
13) La forme de l'équation d'onde est dans le cas présent parfaitement conservée avec les TLs, la où les TGs ne sont pas en mesure de rendre compte de l'invariance de la vitesse de la lumière lors d'un changement de référentiel, le nie tu ?
14) La vitesse d'une onde est invariante avec la vitesse de la source, le nie tu ?
15) La vitesse d'une onde varie avec la vitesse du milieu de propagation, le nie tu ? (ceci est connue depuis le 18ième siècle)
16) La vitesse du milieu de propagation perçu par un observateur, varie si la vitesse de cet observateur varie, le nie tu ?
17) La vitesse d'une onde est donc dépendant des changement de référentiel de la part d'un observateur, le nie tu ? (ceci est connue depuis le 18ième siècle)
18) La lumière dans le vide est une onde spéciale, en ce sens que pour elle la vitesse de l'observateur n'a pas d'impact sur la vitesse mesurée pour l'onde lumineuse, le nie tu ?
19) C'est cette propriété qui a mené à l'élaboration de la RR, le comprend tu ?
20) Dans un milieu diélectrique, la vitesse de la lumière est plus petite que \(c\), et la vitesse perçu pour la lumière pour un observateur dépend alors du référentiel, le nie tu ? (ceci à aussi été démontré expérimentalement).
Bonus : reconnais-tu tes errements ?
Le tout sera noté sur 20 ... Je t'offre une chance de nous prouvé que tu es capable de faire face ... saisie là donc

.
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