Vitesse de la lumière -Speed of light

Vitesse de la lumière
La distance du Soleil à la Terre est de 150 millions de kilomètres, une moyenne approximative.  Tailles à l'échelle.
En moyenne, la lumière du soleil met environ 8  minutes et 17  secondes pour se rendre du Soleil à la Terre .
Valeurs exactes
mètres par seconde 299 792 458
Valeurs approximatives (à trois chiffres significatifs)
kilomètres par heure 1 080 000 000
miles par seconde 186 000
miles par heure 671 000 000
unités astronomiques par jour 173
parsecs par an 0,307
Temps de parcours approximatifs des signaux lumineux
Distance Temps
un pied 1,0 ns
un mètre 3,3 ns
de l'orbite géostationnaire à la Terre 119 millisecondes
la longueur de l' équateur terrestre 134 millisecondes
de la Lune à la Terre 1,3 s
du Soleil à la Terre (1 UA ) 8,3 minutes
une année-lumière 1,0 an
un parsec 3,26 ans
de l' étoile la plus proche du Soleil ( 1,3 pc ) 4,2 ans
de la galaxie la plus proche de la Terre 25 000  ans
à travers la voie lactée 100 000  ans
de la galaxie d'Andromède à la Terre 2,5 millions d'années

La vitesse de la lumière dans le vide , communément notée c , est une constante physique universelle importante dans de nombreux domaines de la physique . La vitesse de la lumière c est exactement égale à299 792 458  mètres par seconde (environ 300 000  km/s ou 186 000  mi/s). Selon la théorie restreinte de la relativité , c est la limite supérieure de la vitesse à laquelle la matière ou l'énergie conventionnelle , et donc tout signal porteur d' information , peut voyager dans l'espace .

Toutes les formes de rayonnement électromagnétique , y compris la lumière visible , voyagent à la vitesse de la lumière. À de nombreuses fins pratiques, la lumière et d'autres ondes électromagnétiques sembleront se propager instantanément, mais pour de longues distances et des mesures très sensibles, leur vitesse finie a des effets notables. La lumière des étoiles vue sur Terre a quitté les étoiles il y a de nombreuses années, permettant aux humains d'étudier l'histoire de l'univers en observant des objets éloignés. Lors de la communication avec des sondes spatiales distantes , cela peut prendre des minutes à des heures pour que les signaux voyagent de la Terre au vaisseau spatial et vice versa. En informatique , la vitesse de la lumière fixe le délai de communication minimal ultime entre les ordinateurs , la mémoire de l' ordinateur et au sein d' un processeur . La vitesse de la lumière peut être utilisée dans les mesures de temps de vol pour mesurer de grandes distances avec une précision extrêmement élevée.

Ole Rømer a démontré pour la première fois en 1676 que la lumière se déplace à une vitesse finie (non instantanée) en étudiant le mouvement apparent de la lune Io de Jupiter . Des mesures progressivement plus précises de sa vitesse sont venues au cours des siècles suivants. Dans un article publié en 1865, James Clerk Maxwell a proposé que la lumière était une onde électromagnétique , et donc voyageait à la vitesse c . En 1905, Albert Einstein a postulé que la vitesse de la lumière c par rapport à tout référentiel inertiel est une constante et est indépendante du mouvement de la source lumineuse. Il a exploré les conséquences de ce postulat en dérivant la théorie de la relativité et, ce faisant, a montré que le paramètre c avait une pertinence en dehors du contexte de la lumière et de l'électromagnétisme.

Les particules sans masse et les perturbations de champ telles que les ondes gravitationnelles se déplacent également à la vitesse c dans le vide. De telles particules et ondes se déplacent en c quel que soit le mouvement de la source ou le référentiel inertiel de l' observateur . Les particules avec une masse au repos non nulle peuvent être accélérées pour s'approcher de c , mais ne peuvent jamais l'atteindre, quel que soit le référentiel dans lequel leur vitesse est mesurée. Dans les théories restreintes et générales de la relativité , c relie l'espace et le temps , et apparaît également dans la célèbre équation d' équivalence masse-énergie , E = mc 2 .

Dans certains cas, les objets ou les ondes peuvent sembler se déplacer plus rapidement que la lumière (par exemple , les vitesses de phase des ondes, l'apparition de certains objets astronomiques à grande vitesse et des effets quantiques particuliers ). L' expansion de l'univers est comprise comme dépassant la vitesse de la lumière au-delà d' une certaine limite .

La vitesse à laquelle la lumière se propage à travers des matériaux transparents , comme le verre ou l'air, est inférieure à c ; de même, la vitesse des ondes électromagnétiques dans les câbles métalliques est inférieure à c . Le rapport entre c et la vitesse v à laquelle la lumière se déplace dans un matériau est appelé l' indice de réfraction n du matériau ( n = c/v). Par exemple, pour la lumière visible, l'indice de réfraction du verre est généralement d'environ 1,5, ce qui signifie que la lumière dans le verre se propage àc/1.5200 000  km/s ( 124 000  mi/s) ; l' indice de réfraction de l'air pour la lumière visible est d'environ 1,0003, de sorte que la vitesse de la lumière dans l'air est d'environ 90 km/s (56 mi/s) plus lente que c .

Valeur numérique, notation et unités

La vitesse de la lumière dans le vide est généralement désignée par un c minuscule , pour "constante" ou le latin celeritas (signifiant "rapidité, célérité"). En 1856, Wilhelm Eduard Weber et Rudolf Kohlrausch avaient utilisé c pour une constante différente qui s'est avérée plus tard égale à 2 fois la vitesse de la lumière dans le vide. Historiquement, le symbole V a été utilisé comme symbole alternatif pour la vitesse de la lumière, introduit par James Clerk Maxwell en 1865. En 1894, Paul Drude a redéfini c avec sa signification moderne. Einstein a utilisé V dans ses articles originaux en allemand sur la relativité restreinte en 1905, mais en 1907, il est passé à c , qui était alors devenu le symbole standard de la vitesse de la lumière.

Parfois c est utilisé pour la vitesse des ondes dans n'importe quel milieu matériel, et c 0 pour la vitesse de la lumière dans le vide. Cette notation en indice, qui est approuvée dans la littérature SI officielle, a la même forme que les constantes électromagnétiques associées : à savoir, μ 0 pour la perméabilité au vide ou la constante magnétique, ε 0 pour la permittivité du vide ou la constante électrique, et Z 0 pour l' impédance de espace libre . Cet article utilise c exclusivement pour la vitesse de la lumière dans le vide.

Utilisation dans les systèmes unitaires

Depuis 1983, la constante c est définie dans le Système international d'unités (SI) comme exactement 299 792 458  m/s ; cette relation est utilisée pour définir le mètre comme étant exactement la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1299 792 458 de seconde. En utilisant la valeur de c , ainsi qu'une mesure précise de laseconde, on peut ainsi établir un étalon pour le mètre. En tant queconstante physique dimensionnelle, la valeur numérique de c est différente pour différents systèmes d'unités. Par exemple, enunités impériales, la vitesse de la lumière est d'environ186 282 miles par seconde, soit environ 1 pied par nanoseconde.

Dans les branches de la physique où c apparaît souvent, comme en relativité, il est courant d'utiliser des systèmes d' unités de mesure naturelles ou le système d'unités géométriséesc = 1 . En utilisant ces unités, c n'apparaît pas explicitement car la multiplication ou la division par  1 n'affecte pas le résultat. Son unité de seconde-lumière par seconde est toujours pertinente, même si elle est omise.

Rôle fondamental en physique

La vitesse à laquelle les ondes lumineuses se propagent dans le vide est indépendante à la fois du mouvement de la source d'onde et du référentiel inertiel de l'observateur. Cette invariance de la vitesse de la lumière a été postulée par Einstein en 1905, après avoir été motivée par la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell et le manque de preuves de l' éther luminifère ; il a depuis été constamment confirmé par de nombreuses expériences. Il est seulement possible de vérifier expérimentalement que la vitesse de la lumière dans les deux sens (par exemple, d'une source à un miroir et vice-versa) est indépendante du cadre, car il est impossible de mesurer la vitesse de la lumière dans un sens (par exemple , d'une source à un détecteur distant) sans aucune convention sur la façon dont les horloges à la source et au détecteur doivent être synchronisées. Cependant, en adoptant la synchronisation Einstein pour les horloges, la vitesse unidirectionnelle de la lumière devient par définition égale à la vitesse bidirectionnelle de la lumière. La théorie de la relativité restreinte explore les conséquences de cette invariance de c avec l'hypothèse que les lois de la physique sont les mêmes dans tous les référentiels inertiels. Une conséquence est que c est la vitesse à laquelle toutes les particules et ondes sans masse, y compris la lumière, doivent se déplacer dans le vide.

γ commence à 1 lorsque v est égal à zéro et reste presque constant pour les petits v, puis il se courbe brusquement vers le haut et a une asymptote verticale, divergeant vers l'infini positif lorsque v s'approche de c.
Le facteur de Lorentz γ en fonction de la vitesse. Il commence à  1 et s'approche de l'infini lorsque v s'approche de  c .

La relativité restreinte a de nombreuses implications contre-intuitives et vérifiées expérimentalement. Celles-ci incluent l' équivalence de la masse et de l'énergie ( E = mc 2 ) , la contraction de la longueur (les objets en mouvement raccourcissent) et la dilatation du temps (les horloges en mouvement fonctionnent plus lentement). Le facteur  γ par lequel les longueurs se contractent et les temps se dilatent est connu sous le nom de facteur de Lorentz et est donné par γ = (1 − v 2 / c 2 ) −1/2 , où v est la vitesse de l'objet. La différence entre γ et  1 est négligeable pour des vitesses beaucoup plus lentes que  c , comme la plupart des vitesses quotidiennes - auquel cas la relativité restreinte est étroitement approchée par la relativité galiléenne  - mais elle augmente à des vitesses relativistes et diverge à l'infini lorsque v s'approche de c . Par exemple, un facteur de dilatation temporelle de γ  = 2 se produit à une vitesse relative de 86,6 % de la vitesse de la lumière ( v  = 0,866  c ). De même, un facteur de dilatation temporelle de γ  = 10 se produit à 99,5 % de la vitesse de la lumière ( v  = 0,995  c ).

Les résultats de la relativité restreinte peuvent être résumés en traitant l'espace et le temps comme une structure unifiée connue sous le nom d' espace -temps (avec  c reliant les unités d'espace et de temps), et en exigeant que les théories physiques satisfassent une symétrie spéciale appelée invariance de Lorentz , dont la formulation mathématique contient le paramètre  c . L'invariance de Lorentz est une hypothèse presque universelle pour les théories physiques modernes, telles que l'électrodynamique quantique , la chromodynamique quantique , le modèle standard de la physique des particules et la relativité générale . En tant que tel, le paramètre  c est omniprésent dans la physique moderne, apparaissant dans de nombreux contextes sans rapport avec la lumière. Par exemple, la relativité générale prédit que  c est aussi la vitesse de la gravité et des ondes gravitationnelles , et les observations d'ondes gravitationnelles ont été cohérentes avec cette prédiction. Dans les référentiels non inertiels (espace-temps à courbure gravitationnelle ou référentiels accélérés ), la vitesse locale de la lumière est constante et égale à  c , mais la vitesse de la lumière le long d'une trajectoire de longueur finie peut différer de  c , selon la façon dont les distances et les horaires sont définis.

On suppose généralement que les constantes fondamentales telles que  c ont la même valeur dans tout l'espace-temps, ce qui signifie qu'elles ne dépendent pas de l'emplacement et ne varient pas avec le temps. Cependant, il a été suggéré dans diverses théories que la vitesse de la lumière peut avoir changé au fil du temps . Aucune preuve concluante de tels changements n'a été trouvée, mais ils font l'objet de recherches en cours.

Il est également généralement admis que la vitesse de la lumière est isotrope , ce qui signifie qu'elle a la même valeur quelle que soit la direction dans laquelle elle est mesurée. Les observations des émissions des niveaux d'énergie nucléaire en fonction de l'orientation des noyaux émetteurs dans un champ magnétique (voir l'expérience Hughes-Drever ) et des résonateurs optiques rotatifs (voir Expériences sur les résonateurs ) ont mis des limites strictes à la possibilité d'un effet bidirectionnel. anisotropie .

Limite supérieure des vitesses

Selon la relativité restreinte, l'énergie d'un objet de masse au repos m et de vitesse v est donnée par γmc 2 , où γ est le facteur de Lorentz défini ci-dessus. Lorsque v est nul, γ est égal à un, d'où la célèbre formule E = mc 2 d'équivalence masse-énergie. Le facteur γ s'approche de l'infini lorsque v s'approche de  c , et il faudrait une quantité infinie d'énergie pour accélérer un objet avec une masse à la vitesse de la lumière. La vitesse de la lumière est la limite supérieure des vitesses des objets avec une masse au repos positive, et les photons individuels ne peuvent pas voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Ceci est établi expérimentalement dans de nombreux tests d'énergie et de quantité de mouvement relativistes .

Trois couples d'axes de coordonnées sont représentés avec la même origine A ;  dans le cadre vert, l'axe x est horizontal et l'axe ct est vertical ;  dans le cadre rouge, l'axe x' est légèrement biaisé vers le haut, et l'axe ct' légèrement biaisé vers la droite, par rapport aux axes verts ;  dans le cadre bleu, l'axe x'' est quelque peu biaisé vers le bas, et l'axe ct'' quelque peu biaisé vers la gauche, par rapport aux axes verts.  Un point B sur l'axe des x vert, à gauche de A, a zéro ct, positif ct′ et ​​négatif ct′′.
L'événement A précède B dans le cadre rouge, est simultané avec B dans le cadre vert et suit B dans le cadre bleu.

Plus généralement, il est impossible que des signaux ou de l'énergie voyagent plus vite que  c . Un argument en faveur de cela découle de l'implication contre-intuitive de la relativité restreinte connue sous le nom de relativité de la simultanéité . Si la distance spatiale entre deux événements A et B est supérieure à l'intervalle de temps entre eux multiplié par  c alors il y a des référentiels dans lesquels A précède B, d'autres dans lesquels B précède A et d'autres dans lesquels ils sont simultanés. En conséquence, si quelque chose voyageait plus vite que  c par rapport à un cadre de référence inertiel, il reculerait dans le temps par rapport à un autre cadre, et la causalité serait violée. Dans un tel référentiel, un « effet » pourrait être observé avant sa « cause ». Une telle violation de la causalité n'a jamais été enregistrée, et conduirait à des paradoxes tels que l' antitéléphone tachyonique .

Observations et expériences plus rapides que la lumière

Il existe des situations dans lesquelles il peut sembler que la matière, l'énergie ou le signal porteur d'informations se déplacent à des vitesses supérieures à  c , mais ce n'est pas le cas. Par exemple, comme on le verra dans la propagation de la lumière dans une section moyenne ci-dessous, de nombreuses vitesses d'onde peuvent dépasser  c . La vitesse de phase des rayons X à travers la plupart des verres peut régulièrement dépasser c , mais la vitesse de phase ne détermine pas la vitesse à laquelle les ondes transmettent l'information.

Si un faisceau laser est balayé rapidement sur un objet distant, le spot lumineux peut se déplacer plus vite que  c , bien que le mouvement initial du spot soit retardé en raison du temps nécessaire à la lumière pour atteindre l'objet distant à la vitesse  c . Cependant, les seules entités physiques qui se déplacent sont le laser et sa lumière émise, qui se déplace à la vitesse  c du laser vers les différentes positions de la tache. De même, une ombre projetée sur un objet distant peut être amenée à se déplacer plus vite que  c , après un certain délai. Dans aucun des cas, la matière, l'énergie ou l'information ne voyagent plus vite que la lumière.

Le taux de variation de la distance entre deux objets dans un référentiel par rapport auquel ils se déplacent (leur vitesse de rapprochement ) peut avoir une valeur supérieure à  c . Cependant, cela ne représente pas la vitesse d'un seul objet telle que mesurée dans un seul référentiel inertiel.

Certains effets quantiques semblent se transmettre instantanément et donc plus vite que c , comme dans le paradoxe EPR . Un exemple implique les états quantiques de deux particules qui peuvent être intriquées . Jusqu'à ce que l'une ou l'autre des particules soit observée, elles existent dans une superposition de deux états quantiques. Si les particules sont séparées et que l'état quantique d'une particule est observé, l'état quantique de l'autre particule est déterminé instantanément. Cependant, il est impossible de contrôler l'état quantique que prendra la première particule lorsqu'elle sera observée, de sorte que l'information ne peut pas être transmise de cette manière.

Un autre effet quantique qui prédit l'apparition de vitesses supérieures à la lumière est appelé l' effet Hartman : dans certaines conditions, le temps nécessaire à une particule virtuelle pour traverser une barrière est constant, quelle que soit l'épaisseur de la barrière. Cela pourrait se traduire par une particule virtuelle traversant un grand espace plus rapidement que la lumière. Cependant, aucune information ne peut être envoyée en utilisant cet effet.

Le mouvement dit supraluminique est observé dans certains objets astronomiques, tels que les jets relativistes des radiogalaxies et des quasars . Cependant, ces jets ne se déplacent pas à des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière : le mouvement superluminal apparent est un effet de projection causé par des objets se déplaçant près de la vitesse de la lumière et s'approchant de la Terre à un petit angle par rapport à la ligne de visée : puisque la lumière émis lorsque le jet était plus éloigné mettait plus de temps à atteindre la Terre, le temps entre deux observations successives correspond à un temps plus long entre les instants où les rayons lumineux ont été émis.

Une expérience de 2011 où l'on a observé que les neutrinos se déplaçaient plus vite que la lumière s'est avérée être due à une erreur expérimentale.

Dans les modèles de l'univers en expansion, plus les galaxies sont éloignées les unes des autres, plus elles s'éloignent rapidement. Ce recul n'est pas dû au mouvement dans l'espace, mais plutôt à l' expansion de l'espace lui-même. Par exemple, les galaxies éloignées de la Terre semblent s'éloigner de la Terre à une vitesse proportionnelle à leurs distances. Au-delà d'une limite appelée la sphère de Hubble , la vitesse à laquelle leur distance à la Terre augmente devient supérieure à la vitesse de la lumière.

Propagation de la lumière

En physique classique , la lumière est décrite comme un type d' onde électromagnétique . Le comportement classique du champ électromagnétique est décrit par les équations de Maxwell , qui prédisent que la vitesse  c avec laquelle les ondes électromagnétiques (telles que la lumière) se propagent dans le vide est liée à la capacité et à l'inductance distribuées du vide, autrement appelées respectivement constante électrique ε 0 et la constante magnétique μ 0 , par l'équation

En physique quantique moderne , le champ électromagnétique est décrit par la théorie de l'électrodynamique quantique (QED). Dans cette théorie, la lumière est décrite par les excitations fondamentales (ou quanta) du champ électromagnétique, appelées photons . En QED, les photons sont des particules sans masse et donc, selon la relativité restreinte, ils se déplacent à la vitesse de la lumière dans le vide.

Des extensions de QED dans lesquelles le photon a une masse ont été envisagées. Dans une telle théorie, sa vitesse dépendrait de sa fréquence, et la vitesse invariante  c de la relativité restreinte serait alors la limite supérieure de la vitesse de la lumière dans le vide. Aucune variation de la vitesse de la lumière avec la fréquence n'a été observée lors de tests rigoureux, imposant des limites strictes à la masse du photon. La limite obtenue dépend du modèle utilisé : si le photon massif est décrit par la théorie de Proca , la borne supérieure expérimentale de sa masse est d'environ 10 −57 grammes ; si la masse des photons est générée par un mécanisme de Higgs , la limite supérieure expérimentale est moins nette, m10 −14  eV/ c 2   (environ 2 × 10 −47  g).

Une autre raison pour laquelle la vitesse de la lumière varie avec sa fréquence serait l'incapacité de la relativité restreinte à s'appliquer à des échelles arbitrairement petites, comme le prédisent certaines théories proposées de la gravité quantique . En 2009, l'observation du sursaut gamma GRB 090510 n'a trouvé aucune preuve d'une dépendance de la vitesse des photons à l'énergie, soutenant des contraintes strictes dans des modèles spécifiques de quantification de l'espace-temps sur la façon dont cette vitesse est affectée par l'énergie des photons pour des énergies approchant l' échelle de Planck .

Dans un milieu

Dans un milieu, la lumière ne se propage généralement pas à une vitesse égale à c ; de plus, différents types d'ondes lumineuses se déplaceront à des vitesses différentes. La vitesse à laquelle les crêtes et les creux individuels d'une onde plane (une onde remplissant tout l'espace, avec une seule fréquence ) se propagent est appelée la vitesse de phase  v p . Un signal physique d'étendue finie (une impulsion lumineuse) se déplace à une vitesse différente. L' enveloppe globale de l'impulsion se déplace à la vitesse de groupe  v g , et sa première partie se déplace à la vitesse de front  v f .

Une onde modulée se déplace de gauche à droite.  Il y a trois points marqués d'un point : un point bleu à un nœud de l'onde porteuse, un point vert au maximum de l'enveloppe et un point rouge à l'avant de l'enveloppe.
Le point bleu se déplace à la vitesse des ondulations, la vitesse de phase ; le point vert se déplace avec la vitesse de l'enveloppe, la vitesse de groupe ; et le point rouge se déplace avec la vitesse de la partie la plus avancée de l'impulsion, la vitesse du front.

La vitesse de phase est importante pour déterminer comment une onde lumineuse se déplace à travers un matériau ou d'un matériau à un autre. Il est souvent représenté en termes d' indice de réfraction . L'indice de réfraction d'un matériau est défini comme le rapport de c à la vitesse de phase  v p dans le matériau : des indices de réfraction plus grands indiquent des vitesses plus faibles. L'indice de réfraction d'un matériau peut dépendre de la fréquence, de l'intensité, de la polarisation ou de la direction de propagation de la lumière ; dans de nombreux cas, cependant, il peut être traité comme une constante dépendante du matériau. L' indice de réfraction de l'air est d'environ 1,0003. Les milieux plus denses, tels que l'eau , le verre et le diamant , ont des indices de réfraction d'environ 1,3, 1,5 et 2,4, respectivement, pour la lumière visible. Dans des matériaux exotiques comme les condensats de Bose-Einstein proches du zéro absolu, la vitesse effective de la lumière peut n'être que de quelques mètres par seconde. Cependant, cela représente un délai d'absorption et de re-rayonnement entre les atomes, comme le font toutes les vitesses inférieures à c dans les substances matérielles. Comme exemple extrême de "ralentissement" de la lumière dans la matière, deux équipes indépendantes de physiciens ont prétendu amener la lumière à un "arrêt complet" en la faisant passer à travers un condensat de Bose-Einstein de l'élément rubidium . Cependant, la description populaire de la lumière "arrêtée" dans ces expériences se réfère uniquement à la lumière stockée dans les états excités des atomes, puis réémise à un moment arbitrairement ultérieur, stimulée par une seconde impulsion laser. Pendant le temps qu'il s'était "arrêté", il avait cessé d'être léger. Ce type de comportement est généralement microscopiquement vrai de tous les milieux transparents qui "ralentissent" la vitesse de la lumière.

Dans les matériaux transparents, l'indice de réfraction est généralement supérieur à 1, ce qui signifie que la vitesse de phase est inférieure à c . Dans d'autres matériaux, il est possible que l'indice de réfraction devienne inférieur à  1 pour certaines fréquences ; dans certains matériaux exotiques, il est même possible que l'indice de réfraction devienne négatif. L'exigence que la causalité ne soit pas violée implique que les parties réelles et imaginaires de la constante diélectrique de tout matériau, correspondant respectivement à l'indice de réfraction et au coefficient d'atténuation , sont liées par les relations de Kramers-Kronig . Concrètement, cela signifie que dans un matériau d'indice de réfraction inférieur à 1, l'onde sera rapidement absorbée.

Une impulsion avec différentes vitesses de groupe et de phase (qui se produit si la vitesse de phase n'est pas la même pour toutes les fréquences de l'impulsion) s'étale au fil du temps, un processus connu sous le nom de dispersion . Certains matériaux ont une vitesse de groupe exceptionnellement faible (voire nulle) pour les ondes lumineuses, un phénomène appelé lumière lente . L'inverse, des vitesses de groupe dépassant c , a été proposé théoriquement en 1993 et ​​réalisé expérimentalement en 2000. Il devrait même être possible que la vitesse de groupe devienne infinie ou négative, avec des impulsions se déplaçant instantanément ou en arrière dans le temps.

Cependant, aucune de ces options ne permet de transmettre les informations plus rapidement que c . Il est impossible de transmettre des informations avec une impulsion lumineuse plus rapide que la vitesse de la première partie de l'impulsion (la vitesse du front). On peut montrer que c'est (sous certaines hypothèses) toujours égal à c .

Il est possible qu'une particule se déplace à travers un milieu plus rapidement que la vitesse de phase de la lumière dans ce milieu (mais toujours plus lente que c ). Lorsqu'une particule chargée fait cela dans un matériau diélectrique , l'équivalent électromagnétique d'une onde de choc , connue sous le nom de rayonnement Cherenkov , est émis.

Effets pratiques de la finitude

La vitesse de la lumière est importante pour les communications : les temps de retard aller et retour sont supérieurs à zéro. Cela s'applique des petites aux échelles astronomiques. D'autre part, certaines techniques dépendent de la vitesse finie de la lumière, par exemple dans les mesures de distance.

Petites balances

Dans les superordinateurs , la vitesse de la lumière impose une limite à la vitesse à laquelle les données peuvent être envoyées entre les processeurs . Si un processeur fonctionne à 1 gigahertz , un signal ne peut parcourir qu'un maximum d'environ 30 centimètres (1 pied) en un seul cycle d'horloge - en pratique, cette distance est encore plus courte puisque la carte de circuit imprimé elle-même a un indice de réfraction et ralentit signaux. Les processeurs doivent donc être placés à proximité les uns des autres, ainsi que les puces mémoire , pour minimiser les latences de communication. Si les fréquences d'horloge continuent d'augmenter, la vitesse de la lumière finira par devenir un facteur limitant pour la conception interne des puces uniques .  

Grandes distances sur Terre

Étant donné que la circonférence équatoriale de la Terre est d'environ40 075  km et que c est environ300 000  km/s , le temps le plus court théorique pour qu'une information parcoure la moitié du globe le long de la surface est d'environ 67 millisecondes. Lorsque la lumière voyage dans la fibre optique (un matériau transparent ), le temps de transit réel est plus long, en partie parce que la vitesse de la lumière est plus lente d'environ 35 % dans la fibre optique, en fonction de son indice de réfraction n . De plus, les lignes droites sont rares dans les communications mondiales et le temps de trajet augmente lorsque les signaux passent par des commutateurs électroniques ou des régénérateurs de signaux.

Bien que cette distance soit largement sans importance pour la plupart des applications, la latence devient importante dans des domaines tels que le trading à haute fréquence , où les traders cherchent à obtenir des avantages infimes en livrant leurs transactions aux échanges avec des fractions de seconde d'avance sur les autres traders. Par exemple, les commerçants sont passés aux communications par micro -ondes entre les centres commerciaux, en raison de l'avantage que les ondes radio voyageant à une vitesse proche de la lumière dans l'air ont sur les signaux de fibre optique comparativement plus lents.

Vol spatial et astronomie

Le diamètre de la lune est d'environ un quart de celui de la Terre, et leur distance est d'environ trente fois le diamètre de la Terre.  Un faisceau de lumière part de la Terre et atteint la Lune en environ une seconde et quart.
Un faisceau de lumière est représenté voyageant entre la Terre et la Lune dans le temps nécessaire à une impulsion lumineuse pour se déplacer entre elles : 1,255 seconde à leur distance orbitale moyenne (surface à surface). Les tailles relatives et la séparation du système Terre-Lune sont représentées à l'échelle.

De même, les communications entre la Terre et les engins spatiaux ne sont pas instantanées. Il y a un bref délai entre la source et le récepteur, qui devient plus perceptible à mesure que les distances augmentent. Ce retard était important pour les communications entre le contrôle au sol et Apollo 8 lorsqu'il est devenu le premier vaisseau spatial avec équipage à orbiter autour de la Lune : pour chaque question, la station de contrôle au sol devait attendre au moins trois secondes pour que la réponse arrive. Le délai de communication entre la Terre et Mars peut varier entre cinq et vingt minutes selon les positions relatives des deux planètes. En conséquence, si un robot à la surface de Mars devait rencontrer un problème, ses contrôleurs humains n'en seraient conscients que 5 à 20 minutes plus tard. Il faudrait alors 5 à 20 minutes supplémentaires pour que les commandes voyagent de la Terre à Mars.

La réception de la lumière et d'autres signaux provenant de sources astronomiques éloignées prend beaucoup plus de temps. Par exemple, il faut 13 milliards (13 × 109 ) ans pour que la lumière se rende sur Terre depuis les galaxies lointaines vues dans lesimages Hubble Ultra Deep Field . Ces photographies, prises aujourd'hui, capturent des images des galaxies telles qu'elles apparaissaient il y a 13 milliards d'années, lorsque l'univers avait moins d'un milliard d'années. Le fait que les objets plus éloignés semblent plus jeunes, en raison de la vitesse finie de la lumière, permet aux astronomes de déduire l' évolution des étoiles , des galaxies et de l'univers lui-même.

Les distances astronomiques sont parfois exprimées en années-lumière , en particulier dans les publications et les médias de vulgarisation scientifique . Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en une année julienne , soit environ 9461 milliards de kilomètres, 5879 milliards de miles ou 0,3066 parsecs . En chiffres ronds, une année-lumière équivaut à près de 10 000 milliards de kilomètres ou à près de 6 000 milliards de milles. Proxima Centauri , l'étoile la plus proche de la Terre après le Soleil, est à environ 4,2 années-lumière.

Mesure de distance

Les systèmes radar mesurent la distance à une cible par le temps qu'il faut à une impulsion d'onde radio pour revenir à l'antenne radar après avoir été réfléchie par la cible : la distance à la cible est égale à la moitié du temps de transit aller-retour multiplié par la vitesse de la lumière . Un récepteur GPS ( Global Positioning System ) mesure sa distance aux satellites GPS en fonction du temps qu'il faut pour qu'un signal radio arrive de chaque satellite, et à partir de ces distances calcule la position du récepteur. Parce que la lumière voyage300 000  kilomètres (186 000  mi ) en une seconde, ces mesures de petites fractions de seconde doivent être très précises. L' expérience de télémétrie laser lunaire , l'astronomie radar et le réseau Deep Space déterminent respectivement les distances à la Lune, aux planètes et aux engins spatiaux en mesurant les temps de transit aller-retour.

La mesure

Il existe différentes façons de déterminer la valeur de c . Une façon consiste à mesurer la vitesse réelle à laquelle les ondes lumineuses se propagent, ce qui peut être fait dans diverses configurations astronomiques et terrestres. Cependant, il est également possible de déterminer c à partir d'autres lois physiques où il apparaît, par exemple en déterminant les valeurs des constantes électromagnétiques ε 0 et μ 0 et en utilisant leur relation à c . Historiquement, les résultats les plus précis ont été obtenus en déterminant séparément la fréquence et la longueur d'onde d'un faisceau lumineux, leur produit étant égal à c . Ceci est décrit plus en détail dans la section "Interférométrie" ci- dessous.

En 1983, le mètre a été défini comme "la longueur du chemin parcouru par la lumière dans le vide pendant un intervalle de temps de 1299 792 458 de seconde", fixant la valeur de la vitesse de la lumière à299 792 458  m/s par définition, comme décrit ci-dessous . Par conséquent, des mesures précises de la vitesse de la lumière donnent une réalisation précise du compteur plutôt qu'une valeur précise de c .

Mesures astronomiques

Mesure de la vitesse de la lumière à l'aide de l'éclipse de Io par Jupiter

L'espace extra -atmosphérique est un cadre pratique pour mesurer la vitesse de la lumière en raison de sa grande échelle et de son vide presque parfait . En règle générale, on mesure le temps nécessaire à la lumière pour parcourir une certaine distance de référence dans le système solaire , comme le rayon de l'orbite terrestre. Historiquement, ces mesures pouvaient être effectuées de manière assez précise, par rapport à la précision avec laquelle la longueur de la distance de référence est connue dans les unités terrestres.

Ole Christensen Rømer a utilisé une mesure astronomique pour faire la première estimation quantitative de la vitesse de la lumière en 1676. Lorsqu'elles sont mesurées à partir de la Terre, les périodes de lunes en orbite autour d'une planète lointaine sont plus courtes lorsque la Terre s'approche de la planète que lorsque la Terre est s'en éloigner. La distance parcourue par la lumière de la planète (ou de sa lune) à la Terre est plus courte lorsque la Terre est au point de son orbite le plus proche de sa planète que lorsque la Terre est au point le plus éloigné de son orbite, la différence de distance étant le diamètre de l'orbite de la Terre autour du Soleil. Le changement observé dans la période orbitale de la lune est causé par la différence de temps nécessaire à la lumière pour parcourir la distance la plus courte ou la plus longue. Rømer a observé cet effet pour la lune la plus interne de Jupiter , Io , et en a déduit que la lumière met 22 minutes pour traverser le diamètre de l'orbite terrestre.

Une étoile émet un rayon lumineux qui atteint l'objectif d'un télescope.  Pendant que la lumière descend du télescope vers son oculaire, le télescope se déplace vers la droite.  Pour que la lumière reste à l'intérieur du télescope, le télescope doit être incliné vers la droite, ce qui fait apparaître la source distante à un endroit différent vers la droite.
Aberration de la lumière : la lumière d'une source distante semble provenir d'un emplacement différent pour un télescope en mouvement en raison de la vitesse finie de la lumière.

Une autre méthode consiste à utiliser l' aberration de la lumière , découverte et expliquée par James Bradley au 18ème siècle. Cet effet résulte de l' addition vectorielle de la vitesse de la lumière provenant d'une source distante (comme une étoile) et de la vitesse de son observateur (voir schéma de droite). Un observateur en mouvement voit donc la lumière venir d'une direction légèrement différente et voit par conséquent la source à une position décalée de sa position d'origine. Étant donné que la direction de la vitesse de la Terre change continuellement lorsque la Terre orbite autour du Soleil, cet effet provoque le déplacement de la position apparente des étoiles. À partir de la différence angulaire de la position des étoiles (au maximum 20,5 secondes d' arc ), il est possible d'exprimer la vitesse de la lumière en termes de vitesse de la Terre autour du Soleil, qui, avec la durée connue d'une année, peut être convertie en temps nécessaire pour voyager du Soleil à la Terre. En 1729, Bradley a utilisé cette méthode pour déduire que la lumière voyageait10 210 fois plus rapide que la Terre sur son orbite (le chiffre moderne est10 066 fois plus rapide) ou, de manière équivalente, qu'il faudrait 8 minutes 12 secondes à la lumière pour se rendre du Soleil à la Terre.

Unité astronomique

Une unité astronomique (UA) est approximativement la distance moyenne entre la Terre et le Soleil. Il a été redéfini en 2012 comme exactement149 597 870 700  m . Auparavant, l'UA n'était pas basée sur le Système international d'unités mais sur la force gravitationnelle exercée par le Soleil dans le cadre de la mécanique classique. La définition actuelle utilise la valeur recommandée en mètres pour la définition précédente de l'unité astronomique, qui était déterminée par la mesure. Cette redéfinition est analogue à celle du mètre et a également pour effet de fixer la vitesse de la lumière à une valeur exacte en unités astronomiques par seconde (via la vitesse exacte de la lumière en mètres par seconde).

Auparavant, l'inverse de  c exprimé en secondes par unité astronomique était mesuré en comparant le temps nécessaire aux signaux radio pour atteindre différents engins spatiaux du système solaire, avec leur position calculée à partir des effets gravitationnels du Soleil et de diverses planètes. En combinant plusieurs de ces mesures, une meilleure valeur d'ajustement pour le temps d'éclairage par unité de distance pourrait être obtenue. Par exemple, en 2009, la meilleure estimation, telle qu'approuvée par l' Union astronomique internationale (UAI), était :

temps lumière pour unité de distance : t au  = 499.004 783 836 (10) s
c  = 0,002 003 988 804 10 (4) UA/s  = 173,144 632 674 (3) UA/jour.

L'incertitude relative de ces mesures est de 0,02 partie par milliard (2 × 10 −11 ), équivalent à l'incertitude des mesures terrestres de longueur par interférométrie. Puisque le mètre est défini comme étant la longueur parcourue par la lumière dans un certain intervalle de temps, la mesure du temps lumière selon la définition précédente de l'unité astronomique peut également être interprétée comme la mesure de la longueur d'une UA (ancienne définition) en mètres.

Techniques de temps de vol

L'une des dernières et des plus précises mesures de temps de vol, l'expérience de Michelson, Pease et Pearson de 1930 à 1935 a utilisé un miroir rotatif et une chambre à vide d'un mile (1,6 km) de long que le faisceau lumineux a traversé 10 fois. Il a atteint une précision de ±11 km/s.
Un rayon lumineux passe horizontalement à travers un demi-miroir et une roue dentée en rotation, est réfléchi par un miroir, traverse la roue dentée et est réfléchi par le demi-miroir dans un monoculaire.
Schéma de l' appareil Fizeau

Une méthode de mesure de la vitesse de la lumière consiste à mesurer le temps nécessaire à la lumière pour se rendre à un miroir à une distance connue et revenir. C'est le principe de fonctionnement de l' appareil Fizeau-Foucault développé par Hippolyte Fizeau et Léon Foucault , sur une suggestion de François Arago .

La configuration utilisée par Fizeau consiste en un faisceau de lumière dirigé vers un miroir à 8 kilomètres (5 mi). Sur le chemin de la source au miroir, le faisceau traverse une roue dentée en rotation. À une certaine vitesse de rotation, le faisceau traverse un espace à l'aller et un autre au retour, mais à des vitesses légèrement supérieures ou inférieures, le faisceau heurte une dent et ne traverse pas la roue. Connaissant la distance entre la roue et le miroir, le nombre de dents de la roue et la vitesse de rotation, la vitesse de la lumière peut être calculée.

La méthode de Foucault remplace la roue dentée par un miroir tournant. Étant donné que le miroir continue de tourner pendant que la lumière se déplace vers le miroir distant et revient, la lumière est réfléchie par le miroir rotatif à un angle différent à sa sortie qu'à son retour. A partir de cette différence d'angle, la vitesse de rotation connue et la distance au miroir éloigné de la vitesse de la lumière peuvent être calculées.

Aujourd'hui, en utilisant des oscilloscopes avec des résolutions temporelles inférieures à une nanoseconde, la vitesse de la lumière peut être directement mesurée en chronométrant le retard d'une impulsion lumineuse d'un laser ou d'une LED réfléchie par un miroir. Cette méthode est moins précise (avec des erreurs de l'ordre de 1%) que d'autres techniques modernes, mais elle est parfois utilisée comme expérience de laboratoire dans les cours de physique des collèges.

Constantes électromagnétiques

Une option pour dériver c qui ne dépend pas directement d'une mesure de la propagation des ondes électromagnétiques est d'utiliser la relation entre c et la permittivité du vide ε 0 et la perméabilité du vide μ 0 établie par la théorie de Maxwell : c 2  = 1/( ε 0 µ 0 ). La permittivité du vide peut être déterminée en mesurant la capacité et les dimensions d' un condensateur , alors que la valeur de la perméabilité du vide était historiquement fixée exactement à× 10 −7  H⋅m −1 par la définition de l' ampère . Rosa et Dorsey ont utilisé cette méthode en 1907 pour trouver une valeur de299 710 ± 22 km/s . Leur méthode dépendait d'avoir une unité standard de résistance électrique, "l' ohm international ", et donc sa précision était limitée par la façon dont cette norme était définie.

Résonance de la cavité

Une boîte avec trois vagues dedans ;  il y a une longueur d'onde et demie de l'onde du haut, une de celle du milieu et une moitié de celle du bas.
Ondes stationnaires électromagnétiques dans une cavité

Une autre façon de mesurer la vitesse de la lumière consiste à mesurer indépendamment la fréquence f et la longueur d'onde λ d'une onde électromagnétique dans le vide. La valeur de c peut alors être trouvée en utilisant la relation c  =  . Une option consiste à mesurer la fréquence de résonance d'un résonateur à cavité . Si les dimensions de la cavité de résonance sont également connues, celles-ci peuvent être utilisées pour déterminer la longueur d'onde de l'onde. En 1946, Louis Essen et AC Gordon-Smith ont établi la fréquence pour une variété de modes normaux de micro-ondes d'une cavité micro -ondes de dimensions connues avec précision. Les dimensions ont été établies avec une précision d'environ ± 0,8 μm à l'aide de jauges calibrées par interférométrie. Comme la longueur d'onde des modes était connue de la géométrie de la cavité et de la théorie électromagnétique , la connaissance des fréquences associées permettait de calculer la vitesse de la lumière.

Le résultat Essen-Gordon-Smith,299 792 ± 9 km/s , étaient sensiblement plus précis que ceux trouvés par des techniques optiques. En 1950, des mesures répétées par Essen ont établi un résultat de299 792,5 ± 3,0 km/s .

Une démonstration domestique de cette technique est possible, en utilisant un four à micro-ondes et des aliments tels que des guimauves ou de la margarine : si le plateau tournant est retiré pour que les aliments ne bougent pas, ils cuiront le plus rapidement aux ventres (les points où l'amplitude des ondes est le plus grand), où il commencera à fondre. La distance entre deux tels spots est la moitié de la longueur d'onde des micro-ondes ; en mesurant cette distance et en multipliant la longueur d'onde par la fréquence micro-onde (généralement affichée à l'arrière du four, typiquement 2450 MHz), la valeur de c peut être calculée, "souvent avec moins de 5% d'erreur".

Interférométrie

Schéma du fonctionnement d'un interféromètre de Michelson.
Une détermination interférométrique de la longueur. A gauche : interférence constructive ; À droite : interférence destructrice .

L'interférométrie est une autre méthode pour trouver la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique pour déterminer la vitesse de la lumière. Un faisceau lumineux cohérent (par exemple d'un laser ), avec une fréquence connue ( f ), est divisé pour suivre deux chemins puis recombiné. En ajustant la longueur du trajet tout en observant le motif d'interférence et en mesurant soigneusement le changement de longueur du trajet, la longueur d'onde de la lumière ( λ ) peut être déterminée. La vitesse de la lumière est alors calculée à l'aide de l'équation  c  =  λf .

Avant l'avènement de la technologie laser, des sources radio cohérentes étaient utilisées pour les mesures interférométriques de la vitesse de la lumière. Cependant, la détermination interférométrique de la longueur d'onde devient moins précise avec la longueur d'onde et les expériences ont donc été limitées en précision par la longue longueur d'onde (~ 4 mm (0,16 po)) des ondes radio. La précision peut être améliorée en utilisant une lumière avec une longueur d'onde plus courte, mais il devient alors difficile de mesurer directement la fréquence de la lumière. Une façon de contourner ce problème est de partir d'un signal basse fréquence dont la fréquence peut être précisément mesurée, et à partir de ce signal de synthétiser progressivement des signaux de fréquence plus élevée dont la fréquence peut ensuite être liée au signal d'origine. Un laser peut alors être verrouillé sur la fréquence et sa longueur d'onde peut être déterminée par interférométrie. Cette technique était due à un groupe du National Bureau of Standards (qui devint plus tard le National Institute of Standards and Technology ). Ils l'ont utilisé en 1972 pour mesurer la vitesse de la lumière dans le vide avec une incertitude fractionnaire de3,5 × 10 -9 .

Histoire

Historique des mesures de  c (en km/s)
<1638 Galileo , lanternes couvertes peu concluant
<1667 Accademia del Cimento , lanternes couvertes peu concluant
1675 Rømer  et  Huygens , lunes de Jupiter 220 000 −27 % d'erreur
1729 James Bradley , aberration de la lumière 301 000 +0,40 % d'erreur
1849 Hippolyte Fizeau , roue dentée 315 000 +5,1 % d'erreur
1862 Léon Foucault , miroir tournant 298 000 ± 500 −0,60 % d'erreur
1907 Rosa et Dorsey,  constantes EM 299 710 ± 30 −280 ppm d'erreur
1926 Albert A. Michelson , miroir tournant 299 796 ± 4 +12 ppm d'erreur
1950 Essen et Gordon-Smith , résonateur à cavité 299 792,5 ± 3,0 _ +0,14 ppm d'erreur
1958 KD Froome, radio interférométrie 299 792 .50 ± 0.10 +0,14 ppm d'erreur
1972 Evenson  et al. , interférométrie laser 299 792 .4562 ± 0.0011 erreur de −0,006 ppm
1983 17e CGPM, définition du mètre 299 792 .458  (exact) exact, tel que défini

Jusqu'au début de la période moderne , on ne savait pas si la lumière se déplaçait instantanément ou à une vitesse finie très rapide. Le premier examen enregistré existant de ce sujet était dans la Grèce antique . Les anciens Grecs, les érudits arabes et les scientifiques européens classiques en ont longtemps débattu jusqu'à ce que Rømer fournisse le premier calcul de la vitesse de la lumière. La théorie de la relativité restreinte d'Einstein a conclu que la vitesse de la lumière est constante quel que soit le cadre de référence. Depuis, les scientifiques ont fourni des mesures de plus en plus précises.

Histoire ancienne

Empédocle (vers 490-430 avant notre ère) a été le premier à proposer une théorie de la lumière et a affirmé que la lumière a une vitesse finie. Il a soutenu que la lumière était quelque chose en mouvement, et devait donc prendre un certain temps pour voyager. Aristote soutenait au contraire que "la lumière est due à la présence de quelque chose, mais ce n'est pas un mouvement". Euclide et Ptolémée ont avancé la théorie de l'émission de la vision d'Empédocle, où la lumière est émise par l'œil, permettant ainsi la vue. Sur la base de cette théorie, Heron d'Alexandrie a soutenu que la vitesse de la lumière doit être infinie car les objets distants tels que les étoiles apparaissent immédiatement après l'ouverture des yeux. Les premiers philosophes islamiques étaient initialement d'accord avec la vision aristotélicienne selon laquelle la lumière n'avait pas de vitesse de déplacement. En 1021, Alhazen (Ibn al-Haytham) a publié le Livre d'optique , dans lequel il a présenté une série d'arguments rejetant la théorie de l'émission de la vision en faveur de la théorie de l'intromission maintenant acceptée, dans laquelle la lumière se déplace d'un objet dans l'œil. Cela a conduit Alhazen à proposer que la lumière doit avoir une vitesse finie et que la vitesse de la lumière est variable, diminuant dans les corps plus denses. Il a soutenu que la lumière est une matière substantielle, dont la propagation nécessite du temps, même si celui-ci est caché aux sens. Toujours au 11ème siècle, Abū Rayhān al-Bīrūnī a convenu que la lumière a une vitesse finie et a observé que la vitesse de la lumière est beaucoup plus rapide que la vitesse du son.

Au XIIIe siècle, Roger Bacon a soutenu que la vitesse de la lumière dans l'air n'était pas infinie, en utilisant des arguments philosophiques soutenus par les écrits d'Alhazen et d'Aristote. Dans les années 1270, Witelo a envisagé la possibilité que la lumière voyage à une vitesse infinie dans le vide, mais ralentisse dans des corps plus denses.

Au début du XVIIe siècle, Johannes Kepler croyait que la vitesse de la lumière était infinie puisque l'espace vide ne lui présentait aucun obstacle. René Descartes a soutenu que si la vitesse de la lumière devait être finie, le Soleil, la Terre et la Lune seraient sensiblement désalignés lors d'une éclipse lunaire . (Bien que cet argument échoue lorsque l' aberration de la lumière est prise en compte, cette dernière n'a été reconnue qu'au siècle suivant.) Puisqu'un tel désalignement n'avait pas été observé, Descartes a conclu que la vitesse de la lumière était infinie. Descartes a émis l'hypothèse que si la vitesse de la lumière s'avérait finie, tout son système de philosophie pourrait être démoli. Malgré cela, dans sa dérivation de la loi de Snell , Descartes a supposé qu'une sorte de mouvement associé à la lumière était plus rapide dans les milieux plus denses. Pierre de Fermat a dérivé la loi de Snell en utilisant l'hypothèse opposée, plus le milieu est dense, plus la lumière voyage lentement. Fermat a également plaidé en faveur d'une vitesse finie de la lumière.

Premières tentatives de mesure

En 1629, Isaac Beeckman a proposé une expérience dans laquelle une personne observe l'éclair d'un canon se reflétant sur un miroir à environ 1,6 km. En 1638, Galileo Galilei proposa une expérience, prétendant apparemment l'avoir réalisée quelques années plus tôt, pour mesurer la vitesse de la lumière en observant le délai entre la découverte d'une lanterne et sa perception à une certaine distance. Il était incapable de distinguer si le voyage léger était instantané ou non, mais a conclu que s'il ne l'était pas, il devait néanmoins être extraordinairement rapide. En 1667, l ' Accademia del Cimento de Florence rapporta qu'elle avait réalisé l'expérience de Galilée, avec les lanternes séparées d'environ un mile, mais aucun retard n'a été observé. Le délai réel dans cette expérience aurait été d'environ 11 microsecondes .

Un diagramme de l'orbite d'une planète autour du Soleil et de l'orbite d'une lune autour d'une autre planète.  L'ombre de cette dernière planète est ombragée.
Les observations de Rømer sur les occultations d'Io depuis la Terre

La première estimation quantitative de la vitesse de la lumière a été faite en 1676 par Ole Rømer. À partir de l'observation que les périodes de la lune la plus interne de Jupiter, Io , semblaient être plus courtes lorsque la Terre s'approchait de Jupiter que lorsqu'elle s'en éloignait, il a conclu que la lumière se déplace à une vitesse finie et a estimé qu'il fallait 22 minutes à la lumière pour traverser le diamètre de L'orbite terrestre. Christiaan Huygens a combiné cette estimation avec une estimation du diamètre de l'orbite terrestre pour obtenir une estimation de la vitesse de la lumière de220 000  km/s , soit 27 % de moins que la valeur réelle.

Dans son livre Opticks de 1704 , Isaac Newton a rapporté les calculs de Rømer sur la vitesse finie de la lumière et a donné une valeur de "sept ou huit minutes" pour le temps nécessaire à la lumière pour voyager du Soleil à la Terre (la valeur moderne est de 8 minutes 19 secondes). Newton a demandé si les ombres d'éclipse de Rømer étaient colorées; entendant qu'ils ne l'étaient pas, il a conclu que les différentes couleurs voyageaient à la même vitesse. En 1729, James Bradley découvre l' aberration stellaire . À partir de cet effet, il a déterminé que la lumière doit voyager 10 210 fois plus vite que la Terre sur son orbite (le chiffre moderne est 10 066 fois plus rapide) ou, de manière équivalente, qu'il faudrait à la lumière 8 minutes 12 secondes pour voyager du Soleil à la Terre.

Connexions avec l'électromagnétisme

Au 19ème siècle , Hippolyte Fizeau a développé une méthode pour déterminer la vitesse de la lumière basée sur des mesures de temps de vol sur Terre et a rapporté une valeur de315 000  km/s . Sa méthode fut perfectionnée par Léon Foucault qui obtint une valeur de298 000  km/s en 1862. En 1856, Wilhelm Eduard Weber et Rudolf Kohlrausch mesurèrent le rapport des unités de charge électromagnétiques et électrostatiques, 1/ ε 0 μ 0 , en déchargeant une bouteille de Leyde , et trouvèrent que sa valeur numérique était très proche de la vitesse de la lumière mesurée directement par Fizeau. L'année suivante, Gustav Kirchhoff a calculé qu'un signal électrique dans un fil sans résistance se déplace le long du fil à cette vitesse. Au début des années 1860, Maxwell montra que, selon la théorie de l'électromagnétisme sur laquelle il travaillait, les ondes électromagnétiques se propageaient dans le vide à une vitesse égale au rapport Weber/Kohlrausch ci-dessus, et attirait l'attention sur la proximité numérique de cette valeur avec la vitesse de la lumière mesurée par Fizeau, il a proposé que la lumière soit en fait une onde électromagnétique.

"Éther luminifère"

Hendrik Lorentz (à droite) avec Albert Einstein (1921)

On pensait à l'époque que l'espace vide était rempli d'un milieu de fond appelé l' éther luminifère dans lequel existait le champ électromagnétique. Certains physiciens pensaient que cet éther servait de référentiel privilégié pour la propagation de la lumière et qu'il devrait donc être possible de mesurer le mouvement de la Terre par rapport à ce milieu, en mesurant l' isotropie de la vitesse de la lumière. À partir des années 1880, plusieurs expériences ont été réalisées pour tenter de détecter ce mouvement, dont la plus célèbre est l'expérience réalisée par Albert A. Michelson et Edward W. Morley en 1887. Le mouvement détecté était toujours inférieur à l'erreur d'observation. Les expériences modernes indiquent que la vitesse de la lumière dans les deux sens est isotrope (la même dans toutes les directions) à moins de 6 nanomètres par seconde.

En raison de cette expérience, Hendrik Lorentz a proposé que le mouvement de l'appareil à travers l'éther puisse provoquer la contraction de l'appareil sur toute sa longueur dans la direction du mouvement, et il a en outre supposé que la variable de temps pour les systèmes en mouvement doit également être modifiée en conséquence ("local temps"), ce qui a conduit à la formulation de la transformation de Lorentz . En se basant sur la théorie de l'éther de Lorentz , Henri Poincaré (1900) a montré que cette heure locale (au premier ordre en v / c ) est indiquée par des horloges se déplaçant dans l'éther, qui sont synchronisées sous l'hypothèse d'une vitesse constante de la lumière. En 1904, il a émis l'hypothèse que la vitesse de la lumière pourrait être une vitesse limite en dynamique, à condition que les hypothèses de la théorie de Lorentz soient toutes confirmées. En 1905, Poincaré a mis la théorie de l'éther de Lorentz en accord observationnel complet avec le principe de relativité .

Relativité restreinte

En 1905, Einstein a postulé dès le départ que la vitesse de la lumière dans le vide, mesurée par un observateur non accélérant, est indépendante du mouvement de la source ou de l'observateur. En utilisant cela et le principe de relativité comme base, il a dérivé la théorie spéciale de la relativité , dans laquelle la vitesse de la lumière dans le vide c figurait comme une constante fondamentale, apparaissant également dans des contextes sans rapport avec la lumière. Cela a rendu inutile le concept d'éther stationnaire (auquel adhéraient encore Lorentz et Poincaré) et a révolutionné les concepts d'espace et de temps.

Précision accrue du c et redéfinition du mètre et de la seconde

Dans la seconde moitié du XXe siècle, de nombreux progrès ont été réalisés dans l'augmentation de la précision des mesures de la vitesse de la lumière, d'abord par des techniques de résonance de cavité et plus tard par des techniques d'interféromètre laser. Ceux-ci ont été aidés par de nouvelles définitions plus précises du mètre et de la seconde. En 1950, Louis Essen a déterminé la vitesse comme299 792 .5 ± 3.0 km/s , en utilisant la résonance de la cavité. Cette valeur a été adoptée par la 12e Assemblée générale de l'Union radio-scientifique en 1957. En 1960, le mètre a été redéfini en fonction de la longueur d'onde d'une raie spectrale particulière du krypton-86 , et, en 1967, la seconde a été redéfinie en termes de la fréquence de transition hyperfine de l'état fondamental du césium-133 .

En 1972, en utilisant la méthode de l'interféromètre laser et les nouvelles définitions, un groupe du US National Bureau of Standards à Boulder, Colorado a déterminé que la vitesse de la lumière dans le vide était c  = 299 792 456 .2 ± 1.1 m/s . C'était 100 fois moins incertain que la valeur précédemment acceptée. L'incertitude restante était principalement liée à la définition du mètre. Comme des expériences similaires ont trouvé des résultats comparables pour c , la 15e Conférence générale des poids et mesures en 1975 a recommandé d'utiliser la valeur299 792 458  m/s pour la vitesse de la lumière.

Défini comme une constante explicite

En 1983, la 17e réunion de la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a constaté que les longueurs d'onde des mesures de fréquence et une valeur donnée pour la vitesse de la lumière sont plus reproductibles que la norme précédente. Ils ont conservé la définition de 1967 de la seconde, de sorte que la fréquence hyperfine du césium déterminerait désormais à la fois la seconde et le mètre. Pour ce faire, ils ont redéfini le mètre comme "la longueur du chemin parcouru par la lumière dans le vide pendant un intervalle de temps de 1/299 792 458 de seconde." Il résulte de cette définition que la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide est exactement299 792 458  m/s et est devenu une constante définie dans le système d'unités SI. Des techniques expérimentales améliorées qui, avant 1983, auraient mesuré la vitesse de la lumière n'affectent plus la valeur connue de la vitesse de la lumière en unités SI, mais permettent plutôt une réalisation plus précise du mètre en mesurant plus précisément la longueur d'onde du krypton- 86 et d'autres sources lumineuses.

En 2011, la CGPM a déclaré son intention de redéfinir les sept unités de base SI en utilisant ce qu'elle appelle "la formulation à constante explicite", où chaque "unité est définie indirectement en spécifiant explicitement une valeur exacte pour une constante fondamentale bien reconnue", comme a été fait pour la vitesse de la lumière. Il a proposé une nouvelle formulation, mais tout à fait équivalente, de la définition du mètre : "Le mètre, symbole m, est l'unité de longueur ; sa grandeur est fixée en fixant la valeur numérique de la vitesse de la lumière dans le vide égale exactement à299 792 458 lorsqu'il est exprimé dans l'unité SI ms −1 . » C'était l'un des changements qui a été incorporé dans la redéfinition de 2019 des unités de base SI , également appelée le Nouveau SI .

Voir également

Remarques

Références

Lectures complémentaires

Références historiques

Références modernes

Liens externes