Vitesse de la lumière - Définition

La vitesse de la lumière (299 792 458 m/s) a été mesurée dès le XVII^e siècle par l'astronome danois Ole Christensen Rømer qui avait observé en 1676 un retard de quinze minutes dans l'occultation prédite d'Io, un satellite de Jupiter et l'attribua au changement du délai de transmission (dû au changement des distances relatives entre la Terre et Jupiter). La vitesse de la lumière fut alors estimée à 200 000 kilomètres par seconde, environ 35% en dessous de sa vraie valeur du fait des incertitudes de l'époque sur la taille de l'orbite de la Terre. Ce résultat fascinera plus tard Voltaire, qui en parlera dans ses ouvrages.

Rømer invalidait ainsi un résultat de Galilée qui, expérimentant avec un aide muni d'une lanterne, avait cru que la lumière se transmettait de façon instantanée.

Cet article de physique fait partie de la série relativité

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Formulaire

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, bien entendu, 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

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 (lien), 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.

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. À noter que 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.

Pourquoi est-ce la plus grande vitesse possible ?

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) pour la lumière ;
• introduire un nouveau concept, la constance de c (constaté par l'expérience).

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 0,96×c en réalité (voir tableau ci-contre).

Ce résultat est donné par la transformation de Lorentz :

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, 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 donnent une énergie réelle pour chacun des groupes définis précédemment .