Vitesse de la lumière
Détermination de la vitesse de la lumière dans le vide : c’est quoi ?
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Qu’est ce que la vitesse de la lumière ?

La lumière se déplace rapidement, à une vitesse de 299, 792, 458 mètres par seconde. Comment est ce possible ? Pour comprendre cela, il est utile de savoir ce qu’est la lumière et c’est en grande partie une découverte du XXe siècle.

La nature de la lumière a été un grand mystère pendant des siècles. Les scientifiques ont eu du mal à saisir le concept de sa nature ondulatoire et particulaire. Si c’était une vague, qu’est-ce qu’elle s’est propagée à travers ? Pourquoi semblait-il se déplacer à la même vitesse dans toutes les directions ? Et que peut nous dire la vitesse de la lumière sur le cosmos ? Ce n’est que lorsqu’Albert Einstein a décrit cette théorie de la relativité spéciale en 1905 que tout est devenu clair. Einstein a fait valoir que l’espace et le temps étaient relatifs et que la vitesse de la lumière était la constante qui reliait les deux.

Les premiers scientifiques, incapables de percevoir le mouvement de la lumière, pensaient qu’elle devait voyager instantanément. Avec le temps, cependant, les mesures du mouvement de ces particules ondulatoires sont devenues de plus en plus précises. Grâce au travail d’Albert Einstein et d’autres, nous comprenons maintenant que la vitesse de la lumière est une limite théorique : la vitesse de la lumière – une constante appelée « c » – n’est pas réalisable par quelque chose avec la masse, pour les raisons expliquées ci-dessous. Cela n’empêche pas les auteurs de science-fiction, et même certains scientifiques très sérieux, d’imaginer des théories alternatives qui permettraient des voyages terriblement rapides autour de l’univers.

On dit souvent que la vitesse de la lumière est constante et que rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Ce n’est pas tout à fait exact. La valeur de 299 792 458 mètres par seconde (186 282 miles par seconde) est la vitesse de la lumière dans le vide. Cependant, la lumière ralentit à mesure qu’elle passe à travers différents médias. Par exemple, lorsqu’il se déplace à travers le verre, il ralentit à environ les deux tiers de sa vitesse dans le vide. Même dans l’air, qui est presque un vide, la lumière ralentit légèrement. En se déplaçant dans l’espace, il rencontre des nuages de gaz et de poussière, ainsi que des champs gravitationnels, et ceux-ci peuvent modifier un tout petit peu la vitesse. Les nuages de gaz et de poussière absorbent également une partie de la lumière lorsqu’elle passe à travers.

Ce phénomène est lié à la nature de la lumière, qui est une onde électromagnétique. En se propageant à travers un matériau, ses champs électriques et magnétiques « perturbent » les particules chargées avec lesquelles il entre en contact. Ces perturbations font que les particules rayonnent de la lumière à la même fréquence, mais avec un déphasage. La somme de toutes ces ondes produites par les « perturbations » conduira à une onde électromagnétique ayant la même fréquence que la lumière d’origine, mais avec une longueur d’onde plus courte et donc une vitesse plus lente.

Il est intéressant de noter qu’aussi vite que la lumière se déplace, son chemin peut être courbé en passant par des régions de l’espace avec des champs gravitationnels intenses. Cela se voit assez facilement dans les amas de galaxies, qui contiennent beaucoup de matière (y compris de la matière noire), qui déforme le chemin de la lumière à partir d’objets plus éloignés, comme les quasars.

Vitesse de la lumière dans le vide (en mètre par seconde)

La vitesse de la lumière dans le vide est de 299 792 458 mètres par seconde, un chiffre sur lequel les scientifiques se sont finalement mis d’accord en 1975.

Vitesse de la lumière en km/s (kilomètres par seconde)

La vitesse de la lumière dans le vide est 299 792 kilomètres par seconde, et en théorie rien ne peut voyager plus vite que la lumière.

Vitesse de la lumière en km/h (kilomètres par heure)

En kilomètres par heure, la vitesse de la lumière est de 1 079 252 848.8 km/h (1,08 x 109 km/h). Si vous pouviez voyager à la vitesse de la lumière, vous pourriez faire le tour de la Terre 7,5 fois en une seconde.

Détermination de la vitesse de la lumière

La détermination de la vitesse de la lumière par Rømer

Ole Rømer (1644-1710) était déjà un homme d’État dans son Danemark natal quelque temps après sa découverte de la vitesse de la lumière (1676). La gravure est probablement posthume.

La détermination de la vitesse de la lumière a été la démonstration en 1676 que la lumière a une vitesse finie, et ne voyage donc pas instantanément. La découverte est généralement attribuée à l’astronome danois Ole Rømer (1644-1710),[note 1] qui travaillait à l’Observatoire royal de Paris à l’époque.

En chronométrant les éclipses de la lune Jupiter Io, Rømer a estimé qu’il faudrait environ 22 minutes à la lumière pour parcourir une distance égale au diamètre de l’orbite terrestre autour du Soleil. Cela donnerait une vitesse de la lumière d’environ 220 000 kilomètres par seconde en unités SI, soit environ 26 % de moins que la valeur réelle de 299 792,458 km/s.

La théorie de Rømer était controversée au moment où il l’a annoncée, et il n’a jamais convaincu le directeur de l’Observatoire de Paris, Giovanni Domenico Cassini, de l’accepter pleinement. Cependant, il a rapidement gagné le soutien d’autres philosophes naturels de l’époque, tels que Christiaan Huygens et Isaac Newton. Il a finalement été confirmé près de deux décennies après la mort de Rømer, avec l’explication en 1729 de l’aberration stellaire par l’astronome anglais James Bradley.

Détermination expérimentale de la vitesse de la lumière par le Foucault

La vitesse de la lumière a été mesurée à l’aide de la méthode de Foucault, qui consiste à réfléchir un faisceau de lumière d’un miroir tournant à un miroir fixe et un dos créant deux miroirs séparés.

Les faisceaux réfléchis avec un déplacement angulaire qui est lié au temps qui était
nécessaire pour que le faisceau lumineux parcoure une distance donnée jusqu’au miroir fixe. En prenant
les mesures relatives au déplacement des deux faisceaux lumineux et à l’angle d’incidence
du miroir tournant, on a constaté que la vitesse de la lumière était de (3,09±0,204)x108 m/s,
qui se situe à moins de 2,7 % de la valeur définie pour la vitesse de la lumière.

Qu’est-ce qu’une année-lumière ?

La distance parcourue par la lumière au cours d’une année s’appelle une année-lumière. Une année-lumière est une mesure du temps et de la distance. Ce n’est pas aussi difficile à comprendre qu’il n’y paraît. Pensez-y de cette façon : La lumière voyage de la lune à nos yeux en environ 1 seconde, ce qui signifie que la lune est à environ 1 seconde de lumière. La lumière du soleil prend environ 8 minutes pour atteindre nos yeux, donc le soleil est à environ 8 minutes-lumière. La lumière du système stellaire le plus proche, Alpha Centauri, a besoin d’environ 4,3 ans pour arriver ici, de sorte qu’on dit que le système stellaire est à 4,3 années-lumière de distance.

« Pour se faire une idée de la taille d’une année-lumière, prendre la circonférence de la Terre (24 900 milles), la disposer en ligne droite, multiplier la longueur de la ligne par 7,5 (la distance correspondante est d’une seconde-lumière), puis placer 31,6 millions de lignes similaires bout à bout « , écrit le centre de recherche Glenn de la NASA sur son site Web. « La distance résultante est de presque 6 trillions (6,000,000,000,000,000,000) de miles, soit 9 460 730 472 580,8 km, soit environ 9 460,730 milliards de kilomètres »

Les étoiles et autres objets au-delà de notre système solaire se trouvent entre quelques années-lumière et quelques milliards d’années-lumière plus loin. Ainsi, lorsque les astronomes étudient des objets qui se trouvent à une année-lumière ou plus, ils voient la lumière telle qu’elle existait au moment où la lumière l’a quittée, et non telle qu’elle apparaîtrait si elle se tenait près de sa surface aujourd’hui. En ce sens, tout ce que nous voyons dans l’univers lointain est, littéralement, l’histoire.

Ce principe permet aux astronomes de voir comment l’univers tel qu’il était après le Big Bang, qui a eu lieu il y a environ 13,8 milliards d’années. En examinant des objets qui sont, disons, à 10 milliards d’années-lumière de distance, nous les voyons tels qu’ils étaient il y a 10 milliards d’années, relativement peu de temps après le début de l’univers, plutôt que tels qu’ils apparaissent aujourd’hui.

La vitesse de la lumière est-elle vraiment constante ?

La lumière voyage dans les ondes et, comme le son, peut être ralentie en fonction de ce qu’elle traverse. Rien ne peut surpasser la lumière dans le vide. Cependant, si une région contient de la matière, même de la poussière, la lumière peut se courber lorsqu’elle entre en contact avec les particules, ce qui entraîne une diminution de la vitesse.

La lumière qui traverse l’atmosphère terrestre se déplace presque aussi vite que la lumière dans le vide, tandis que la lumière qui traverse un diamant est ralentie à moins de la moitié de cette vitesse. Pourtant, il traverse la pierre précieuse à plus de 277 millions de mph (près de 124 000 km/s) – ce n’est pas une vitesse dont il faut se moquer.

Peut-on voyager plus vite que la lumière ?

La science-fiction adore spéculer à ce sujet, parce que la « vitesse de distorsion », comme on appelle communément les voyages plus rapides que la lumière, nous permettrait de voyager entre les étoiles dans des périodes de temps autrement impossibles. Et bien qu’il n’ait pas été prouvé que c’est impossible, le fait de voyager plus vite que la lumière rend l’idée assez farfelue.

Selon la théorie générale de la relativité d’Einstein, lorsqu’un objet se déplace plus rapidement, sa masse augmente, tandis que sa longueur se contracte. À la vitesse de la lumière, un tel objet a une masse infinie, alors que sa longueur est 0 – une impossibilité. Ainsi, aucun objet ne peut atteindre la vitesse de la lumière, la théorie va.

Cela n’empêche pas les théoriciens de proposer des théories créatives et concurrentes. L’idée de la vitesse de distorsion n’est pas impossible, disent certains, et peut-être que dans les générations futures, les gens sauteront entre les étoiles de la même façon que nous voyageons entre les villes de nos jours. Une proposition impliquerait un vaisseau spatial qui pourrait plier une bulle spatio-temporelle autour de lui-même afin de dépasser la vitesse de la lumière. Ça a l’air génial, en théorie.

« Si le capitaine Kirk était contraint de se déplacer à la vitesse de nos fusées les plus rapides, il lui faudrait cent mille ans pour atteindre le prochain système stellaire « , a déclaré Seth Shostak, astronome au Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) Institute à Mountain View, Californie, lors d’une interview en 2010 avec le site sœur de Space.com, LiveScience. « La science-fiction a longtemps postulé un moyen de battre la vitesse de la barrière lumineuse pour que l’histoire avance un peu plus vite. »

Vitesse de la lumière : Histoire de la théorie

Le premier discours connu sur la vitesse de la lumière vient du philosophe grec ancien Aristote, qui a écrit son désaccord avec un autre scientifique grec, Empedocles. Empedocles a fait valoir que parce que la lumière bougeait, il faut du temps pour voyager. Aristote, croyant que la lumière voyage instantanément, n’était pas d’accord.

En 1667, l’astronome italien Galileo Galilei se tenait à deux personnes sur des collines à moins d’un mille l’une de l’autre, chacune tenant une lanterne blindée. L’un a découvert sa lanterne ; quand le second a vu l’éclair, il a découvert la sienne aussi. En observant le temps qu’il a fallu pour que la lumière soit vue par le premier porte-lanterne (et en tenant compte des temps de réaction), il pensait pouvoir calculer la vitesse de la lumière. Malheureusement, la distance expérimentale de Galilée de moins d’un mille était trop petite pour voir une différence, de sorte qu’il ne pouvait déterminer que la lumière voyageait au moins 10 fois plus vite que le son.

Dans les années 1670, l’astronome danois Ole Römer a utilisé les éclipses de la lune de Jupiter, Io, comme chronomètre pour la vitesse de la lumière lorsqu’il a effectué la première mesure réelle de la vitesse. Au cours de plusieurs mois, alors que Io passait derrière la planète gazeuse géante, Römer a découvert que les éclipses arrivaient plus tard que les calculs prévus, bien qu’au cours de plusieurs mois, elles se soient rapprochées des prévisions. Il a déterminé qu’il fallait du temps pour que la lumière voyage de Io à la Terre. Les éclipses accusaient le plus de retard lorsque Jupiter et la Terre étaient les plus éloignés l’un de l’autre, et elles étaient à l’heure puisqu’elles étaient plus proches.

Selon la NASA, « cela a donné à Römer des preuves convaincantes que la lumière se répand dans l’espace avec une certaine vitesse ».

Il a conclu qu’il fallait 10 à 11 minutes pour que la lumière se déplace du soleil à la Terre, une surestimation puisque cela prend en fait huit minutes et 19 secondes. Mais les scientifiques avaient enfin un chiffre avec lequel travailler – son calcul présentait une vitesse de 125.000 miles par seconde (200.000 km/s).

En 1728, le physicien anglais James Bradley a basé ses calculs sur le changement de la position apparente des étoiles en raison des voyages de la Terre autour du soleil. Il a estimé la vitesse de la lumière à 185 000 milles par seconde (301 000 km/s), avec une précision d’environ 1 %.

Deux tentatives au milieu des années 1800 ont ramené le problème sur Terre. Le physicien français Hippolyte Fizeau a placé un faisceau de lumière sur une roue dentée à rotation rapide, avec un miroir installé à 5 miles de distance pour le refléter à sa source. La variation de la vitesse de la roue a permis à Fizeau de calculer le temps qu’il a fallu à la lumière pour sortir du trou, se diriger vers le miroir adjacent et revenir à travers l’espace. Un autre physicien français, Léon Foucault, a utilisé un miroir tournant plutôt qu’une roue. Les deux méthodes indépendantes se situaient chacune à moins de 1 000 milles par seconde de la vitesse de la lumière mesurée aujourd’hui.

Albert Michelson, d’origine prussienne, qui a grandi aux États-Unis, a tenté de reproduire la méthode de Foucault en 1879, mais a utilisé une distance plus longue, ainsi que des miroirs et des lentilles de très haute qualité. Son résultat de 186 355 miles par seconde (299 910 km/s) a été accepté comme la mesure la plus précise de la vitesse de la lumière pendant 40 ans, lorsque Michelson l’a remesurée.

Une note de bas de page intéressante à l’expérience de Michelson était qu’il essayait de détecter le milieu dans lequel la lumière voyageait, appelé éther lumineux. Au lieu de cela, son expérience a révélé que l’éther n’existait pas.

« L’expérience – et l’ensemble de l’œuvre de Michelson – était si révolutionnaire qu’il est devenu la seule personne dans l’histoire à avoir remporté un prix Nobel pour une non-découverte très précise de quoi que ce soit « , a écrit l’astrophysicien Ethan Siegal dans le blogue scientifique de Forbes, Starts With a Bang. « L’expérience elle-même a peut-être été un échec complet, mais ce que nous avons appris de cette expérience a été une plus grande bénédiction pour l’humanité et notre compréhension de l’univers que n’importe quel succès !

Einstein et la relativité spéciale

En 1905, Albert Einstein écrivit son premier article sur la relativité spéciale. Il y établit que la lumière voyage à la même vitesse, quelle que soit la vitesse à laquelle l’observateur se déplace. Même en utilisant les mesures les plus précises possibles, la vitesse de la lumière reste la même pour un observateur immobile sur la face de la Terre que pour un observateur voyageant dans un jet supersonique au-dessus de sa surface. De même, même si la Terre est en orbite autour du soleil, qui se déplace autour de la Voie Lactée, qui est une galaxie voyageant dans l’espace, la vitesse mesurée de la lumière venant de notre soleil serait la même, que l’on se tienne à l’intérieur ou à l’extérieur de la galaxie pour la calculer. Einstein a calculé que la vitesse de la lumière ne varie pas avec le temps ou le lieu.

Bien que la vitesse de la lumière soit souvent appelée limite de vitesse de l’univers, l’univers s’étend encore plus vite. Selon l’astrophysicien Paul Sutter, l’univers s’étend à environ 68 kilomètres par seconde par mégaparsec, où un mégaparsec est de 3,26 millions d’années-lumière (voir plus loin). Ainsi, une galaxie située à 1 mégaparseconde semble s’éloigner de la Voie lactée à une vitesse de 68 km/s, tandis qu’une galaxie située à deux mégaparsecs de distance recule à 136 km/s, et ainsi de suite.

« À un certain point, à une distance obscène, la vitesse bascule sur les échelles et dépasse la vitesse de la lumière, tout cela à partir de l’expansion naturelle et régulière de l’espace « , a écrit Sutter.

Il a poursuivi en expliquant que, alors que la relativité spéciale fournit une limite de vitesse absolue, la relativité générale permet des distances plus grandes.

« Une galaxie de l’autre côté de l’univers ? C’est le domaine de la relativité générale, et la relativité générale dit : Qui s’en soucie ! Cette galaxie peut avoir n’importe quelle vitesse qu’elle veut, tant qu’elle reste lointaine, et non à côté de votre visage », écrit-il.

« La relativité spéciale ne se soucie pas de la vitesse – surluminale ou autre – d’une galaxie lointaine. Et vous ne devriez pas non plus. »

Vitesse de la lumière et champs gravitationnelles

Les théories actuelles de la physique prédisent que les ondes gravitationnelles voyagent aussi à la vitesse de la lumière, mais cela est encore en train d’être confirmé alors que les scientifiques étudient le phénomène des ondes gravitationnelles provenant des trous noirs et des étoiles à neutrons qui entrent en collision. Sinon, il n’y a pas d’autres objets qui voyagent aussi vite. Théoriquement, ils peuvent se rapprocher de la vitesse de la lumière, mais pas plus vite.

Une exception à cela peut être l’espace-temps lui-même. Il semble que les galaxies lointaines s’éloignent de nous plus vite que la vitesse de la lumière. C’est un « problème » que les scientifiques essaient encore de comprendre. Cependant, une conséquence intéressante de ceci est qu’un système de voyage basé sur l’idée d’un moteur de distorsion. Dans une telle technologie, un vaisseau spatial est au repos par rapport à l’espace et c’est en fait l’espace qui se déplace, comme un surfeur sur une vague sur l’océan. Théoriquement, cela pourrait permettre des déplacements surluminaux. Bien sûr, il y a d’autres limites pratiques et technologiques qui s’y opposent, mais c’est une idée intéressante de science-fiction qui suscite un certain intérêt scientifique.

Temps de voyage pour la lumière

L’une des questions que les astronomes obtiennent des membres du public est : « Combien de temps faut-il pour passer de l’objet X à l’objet Y ? » La lumière leur donne un moyen très précis de mesurer la taille de l’univers en définissant des distances.

Voici quelques-unes des mesures de distance les plus courantes :

  • La Terre à la Lune : 1,255 secondes lumière
  • Le Soleil vers la Terre : 8,3 minutes lumière
  • Notre Soleil à l’étoile la plus proche : 4,24 années lumière
  • À travers notre galaxie de la Voie lactée : 100 000 années lumière
  • Vers la galaxie spirale la plus proche (Andromède) : 2,5 millions d’années lumière
  • Limite de l’univers observable à la Terre : 13,8 milliards d’années lumière

Il est intéressant de noter qu’il y a des objets qui sont au-delà de notre capacité de voir simplement parce que l’univers EST en expansion, et certains sont  » au-dessus de l’horizon  » au-delà duquel nous ne pouvons pas voir. Ils ne viendront jamais à notre vue, quelle que soit la vitesse à laquelle leur lumière voyage. C’est l’un des effets fascinants de la vie dans un univers en expansion.

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