Vitesse de la lumière

Après les spéculations d'Empédocle , d'Alhazen, ou de Roger Bacon, et les tentatives malheureuses de Galilée avec des aides démasquant des lanternes, la première estimation expérimentale est due à l'astronome danois Ole Christensen Rømer : En étudiant le cycle des éclipses de Io, satellite de Jupiter, il trouve que 40 révolutions observées lors d'une quadrature de Jupiter avec la Terre sont décalées dans le temps par rapport à 40 autres observées lorsque les deux planètes sont au plus proche. Il en déduit que quand Jupiter et la terre sont en positions opposées par rapport au soleil, la lumière de Jupiter met 22 minutes de plus pour nous parvenir que lorsque les deux planètes sont au plus proche, ce retard correspondant au temps supplémentaire de parcours par la lumière du diamètre de l'orbite terrestre. En Septembre 1676, il prédit ainsi pour une émersion de Io, un retard de 10 minutes (observé le 9 novembre) par rapport à la table établie par Cassini. La lumière mettait ainsi 11 min pour parcourir le rayon de l'orbite terrestre, mais ce rayon était mal connu, les mesures étant dispersées entre 68 et 138 millions de km, valeurs toutes fausses. Rømer (qui trouva ensuite 7 min), Cassini, Newton et bien d'autres améliorèrent la précision du temps de parcours, mais il fallut attendre que Delambre analyse un millier d'éclipses, réparties sur 140 ans, pour trouver la valeur de 8 min 13 s (la valeur correcte est de 8 min 19 s).

L'étape suivante est due à James Bradley. En 1727, étudiant les variations de déclinaison de l'étoile gamma du dragon, il découvre le phénomène de l'aberration de la lumière, du à la combinaison de la vitesse de la lumière avec celle de la Terre. il en déduit que la vitesse de la lumière vaut 10 188 fois celle de la terre. Mais la vitesse de la Terre était mal connue, puisqu'elle dépend du rayon de son orbite.

La première mesure, indépendante d'une autre mesure, est faite par Hippolyte Fizeau, en 1849. En opérant entre Suresnes et Montmartre avec un dispositif à roue dentée, il trouve 315 000 km/s.

Un nouveau progrès est fait par Léon Foucault avec un dispositif à miroir tournant, qui lui permet d'opérer sans sortir du laboratoire. En 1850 il montre que la lumière se déplace moins vite dans l'eau, en accord avec la théorie des ondulations. En 1862, il trouve la valeur de 298 000 km/s.

Les mesures (et les méthodes) vont alors se multiplier.

En 1870, Alfred Cornu perfectionne la méthode de la roue dentée et trouve 298 500 km/s, en opérant entre l'école polytechnique et le Mont Valérien. En 1874, entre l'observatoire et la tour de Montlhéry, il trouve 300 400 km/s.

En 1878, Albert Michelson (alors âgé de 25 ans) "bricole" un dispositif à miroir tournant et trouve 300 140 ± 480 km/s.

En 1882, Simon Newcomb, avec un miroir tournant, trouve 299 860 km/s ±30 km/s, pendant que Michelson trouve 299 853 km/s ±60 km/s.

En 1926, Michelson opère une dernière mesure, avec une base de 35 km, entre le mont Wilson et le mont San Antonio. Il trouve 299 796 km/s ±4 km/s.

Après la seconde guerre mondiale, le radar, le géodimètre, la cavité résonnante, le radio-interféromètre, la spectrométrie de bande, et surtout le laser, vont permettre un bond dans la précision.

En 1947, avec une cavité résonante (un guide d'onde fermé), Louis Essen trouve 299 792 km/s ±3 km/s.

En 1949, avec un radar, C.I Aslakson trouve 299 792,4 ±2.4 km/s. L'incertitude passe sous la barre de 1/100 000. L'erreur réellement commise n'est que de 1/5 000 000 !

En 1958, Keith Davy Froome, avec un radio interféromètre à ondes millimétriques, trouve 299 792,5 km/s ±0.1 km/s. C'est la meilleure mesure avant l'entrée en scène du laser.

En 1972, Kenneth Evenson, avec un laser hélium-néon stabilisé, trouve 299 792,4574 km/s ±0.0011 km/s. La précision a fait un bond d'un facteur 100 !

En 1978, Woods, Shotton et Rowley, avec le même type de laser, trouvent 299 792,45898 km/s ±0.0002 km/s. La vitesse de la lumière est maintenant connue avec une meilleure précision que le mètre étalon!

En 1983, la 17ème conférence des poids et mesures en prend acte et change la définition du mètre : « Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299792458 s. »

[modifier] La vitesse de la lumière dans le vide

D'après les théories de la physique moderne, et notamment les équations de Maxwell, la lumière visible et toutes les ondes électromagnétiques ont une vitesse constante dans le vide, la vitesse de la lumière.

On la considère donc comme une constante physique notée c (du latin celeritas, « vitesse »). Mais elle n'est pas seulement constante (pense-t-on) en tous les endroits (et à tous les âges) de l'univers (principes cosmologiques faible et fort, respectivement) ; elle l'est également d'un repère inertiel à un autre (principe d'équivalence restreint). En d'autres termes : quel que soit le repère inertiel de référence d'un observateur ou la vitesse de l'objet émettant la lumière, tout observateur obtiendra la même mesure.

Aucun objet matériel ni aucun signal ne peut voyager plus vite que c dans le cadre des théories existantes. Seuls peuvent « voyager » plus vite que c (à vitesse dite supraluminique) des fronts virtuels (l'ombre portée à grande distance d'un objet en rotation, par exemple), et on ne peut pas s'en servir pour transmettre un signal, ni de l'énergie. Ce ne sont en fait même pas des objets à proprement parler.

L'expérience d'Alain Aspect montre qu'un observateur peut être informé instantanément, par une mesure sur une particule proche, de l'état d'une particule lointaine, mais il n'y a pas là non plus de réelle transmission de signal.

La vitesse de la lumière dans le vide est notée c :

c = 299 792 458 mètres par seconde

[modifier] Constance de la valeur

Cette valeur est exacte par définition. En effet, depuis 1983, le mètre est défini à partir de la vitesse de la lumière dans le vide dans le système international d'unités, comme étant la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299792458 de seconde. Ce qui fait que le mètre est aujourd'hui défini par la seconde, via la vitesse fixée pour la lumière.

On pourrait objecter que la constance de la vitesse de la lumière quelle que soit la direction, pilier de la physique, est vraie par construction, par le choix des définitions des unités du système international. Cette objection est fausse parce que le choix d'une définition du mètre basée sur la seconde et la lumière est en fait une conséquence de la confiance absolue des physiciens en la constance de la vitesse de la lumière ; cette confiance était exprimée alors que la définition du mètre de 1960 reposait sur un phénomène radiatif indépendant de celui définissant la seconde.

[modifier] Interaction de la lumière avec la matière

La vitesse de la lumière est toujours inférieure à c dans un milieu qui contient de la matière, cela d'autant plus que la matière est plus dense ;
Dans un milieu dit biréfringent, la vitesse de la lumière dépend aussi de son plan de polarisation ;
La différence de vitesse de propagation de la lumière dans des milieux différents est à l'origine du phénomène de réfraction.

Cependant, la vitesse de la lumière, sans autre précision, s'entend généralement pour la vitesse de la lumière dans le vide. Si aucun objet ne peut dépasser la vitesse de la lumière dans le vide dans quelque milieu que ce soit, dépasser la vitesse de la lumière dans le même milieu est possible : par exemple, dans l'eau les neutrinos peuvent aller plus vite que la lumière. Cela est à l'origine de l'effet Tcherenkov.

[modifier] Pourquoi est-ce la plus grande vitesse possible ?

Composition de vitesses relativiste. Les vitesses sont exprimées en prenant pour unité la vitesse de la lumière.

La vitesse de la lumière n'est pas une vitesse limite au sens conventionnel. Nous avons l'habitude d'additionner des vitesses, par exemple nous estimerons normal que deux voitures roulant à 60 kilomètres à l'heure en sens opposés se voient l'une et l'autre comme se rapprochant à une vitesse de 60 km/h + 60 km/h = 120 km/h. Et cette formule approchée est parfaitement légitime pour des vitesses de cet ordre (60 km/h = 16,67 m/s).

Mais, lorsque l'une des vitesses est proche de celle de la lumière, un tel calcul classique s'écarte trop des résultats observés ; en effet, dès la fin du XIX^e siècle, diverses expériences (notamment, celle de Michelson) et observations laissaient apparaître une vitesse de la lumière dans le vide identique dans tous les repères inertiels.

Minkowski, Lorentz, Poincaré et Einstein introduisirent cette question dans la théorie galiléenne, et s'aperçurent de la nécessité de remplacer un principe implicite et inexact par un autre compatible avec les observations :

il fallait renoncer à l'additivité des vitesses (admise par Galilée sans démonstration) ;
introduire un nouveau concept, la constance de c (constaté par l'expérience).

Diagramme des compositions de vitesses. Le côté asymptotique de la vitesse c (ici : 1) apparaît nettement.

Après mise en forme calculatoire, il se dégagea que la nouvelle formule de composition comportait un terme correctif en 1/(1+vw/c²), de l'ordre de 2,7×10^-10 seulement à la vitesse du son.

L' effet devient plus visible lorsque les vitesses dépassent c/10, et spectaculaire à mesure que v/c se rapproche de 1 : deux vaisseaux spatiaux voyageant l'un vers l'autre à la vitesse de 0,8×c (par rapport à un observateur entre les deux), ne percevront pas une vitesse d'approche (ou vitesse relative) égale à 1,6×c, mais seulement 0,98×c en réalité (voir tableau ci-contre).

Ce résultat est donné par la transformation de Lorentz :

$u = {v + w \over 1 + v w / c^2}$

où v et w sont les vitesses des vaisseaux spatiaux, et u la vitesse perçue d'un vaisseau depuis l'autre.

Ainsi, quelle que soit la vitesse à laquelle se déplace un objet par rapport à un autre, chacun mesurera la vitesse de l'impulsion lumineuse reçue comme ayant la même valeur : la vitesse de la lumière ; par contre, la fréquence d'un rayonnement électromagnétique transmis entre deux objets en déplacement relatif sera modifiée par effet Doppler-Fizeau.

Albert Einstein unifia les travaux de ses trois collègues en une théorie de la relativité homogène, appliquant ces étranges conséquences à la mécanique classique. Les confirmations expérimentales de la théorie de la relativité furent au rendez-vous, à la précision des mesures de l'époque près.

Dans le cadre de la théorie de la relativité, les particules sont classées en trois groupes :

les baryons, particules de masse au repos réelle et positive, se déplacent à des vitesses inférieures à c ;
les luxons, particules de masse au repos nulle, se déplacent uniquement à la vitesse c dans le vide ;
les tachyons, hypothétiques particules de masse au repos imaginaire (au sens mathématique), se déplaceraient à des vitesses supérieures à c ; la plupart des physiciens considèrent que ces particules n'existent pas (pour des raisons de causalité), bien que la question ne soit toujours pas close.

Les masses au repos combinées avec le facteur multiplicatif $\gamma = 1 / \sqrt{1 - v^2/c^2}$ donnent une énergie réelle pour chacun des groupes définis précédemment .

[modifier] Voir aussi

[modifier] Bibliographie

M. Tompkins, ouvrage de vulgarisation du physicien George Gamow. Dans l'un des chapitres, la vitesse de la lumière est ramenée à 30 km/h environ et l'auteur en décrit les effets sur la circulation urbaine.

[modifier] Articles connexes

[modifier] Liens externes

[pdf] Le système international d'unités p 22, Bureau international des poids et mesures, 8^e éd. (2006)
(fr) Histoire de la mesure de la vitesse de la lumière

Vitesse de la lumière

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Sommaire

[modifier] Historique

[modifier] La vitesse de la lumière dans le vide

[modifier] Constance de la valeur

[modifier] Interaction de la lumière avec la matière

[modifier] Pourquoi est-ce la plus grande vitesse possible ?

[modifier] Voir aussi

[modifier] Bibliographie

[modifier] Articles connexes

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