Vitesse de la lumière

Ce comportement est différent de nos idées communes sur le mouvement, comme le montre cet exemple :

George est debout sur le sol à côté de quelques voies ferrées (chemin de fer). Un train passe à une vitesse de 48 km/h (30 mph). George lance une balle de baseball à 140 km/h dans la direction où le train se déplace. Tom, un passager du train, a un dispositif (comme un pistolet radar) pour mesurer la vitesse de lancer. Comme il est dans le train, Tom se déplace déjà à 48 km/h dans la direction du lancer. Il mesure donc la vitesse de la balle à 97 km/h.

En d'autres termes, la vitesse de la balle de baseball, telle que mesurée par Tom dans le train, dépend de la vitesse du train.

Dans l'exemple ci-dessus, le train se déplaçait à 1/3 de la vitesse de la balle, et la vitesse de la balle telle que mesurée sur le train était de 2/3 de la vitesse de lancement telle que mesurée au sol.

Maintenant, répétez l'expérience avec de la lumière au lieu d'une balle de baseball, c'est-à-dire que George a une lampe de poche au lieu de lancer une balle de baseball. George et Tom ont tous deux des appareils identiques pour mesurer la vitesse de la lumière (au lieu du pistolet radar dans l'exemple de la balle de baseball).

George est debout sur le sol, à côté de quelques voies ferrées. Un train passe à un tiers de la vitesse de la lumière. George fait clignoter un faisceau lumineux dans la direction où le train se déplace. George mesure la vitesse de la lumière à 186 282 miles par seconde (299 792 kilomètres par seconde). Tom, un passager du train, mesure la vitesse du faisceau lumineux. Quelle est la vitesse mesurée par Tom ?

Intuitivement, on peut penser que la vitesse de la lumière de la lampe de poche telle que mesurée dans le train devrait être 2/3 de la vitesse mesurée au sol, tout comme la vitesse de la balle de baseball était 2/3. Mais en fait, la vitesse mesurée dans le train est la valeur totale, soit 186 282 miles par seconde (299 792 kilomètres par seconde), et non 124 188 miles par seconde (199 861 kilomètres par seconde).

Cela semble impossible, mais c'est ce que l'on mesure. Cela s'explique en partie par le fait que la lumière est une énergie qui agit et se déplace de manière très différente de la matière ou des objets solides comme une balle de baseball.

Les équations de Maxwell ont prédit la vitesse de la lumière et confirmé l'idée de Michael Faraday selon laquelle la lumière est une onde électromagnétique (une façon dont l'énergie se déplace). À partir de ces équations, nous constatons que la vitesse de la lumière est liée à l'inverse de la racine carrée de la permittivité de l'espace libre, ε0, et de la perméabilité de l'espace libre, μ0 :

c = 1 ε 0 μ 0 . {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}\ . }

Une conséquence de ce fait est que rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière. Une autre conséquence est que pour les objets qui ont une masse, quelle que soit la quantité d'énergie utilisée pour augmenter la vitesse d'un objet, celui-ci se rapprochera de plus en plus, mais il n'atteindra jamais la vitesse de la lumière. Ces idées ont été découvertes au début des années 1900 par Albert Einstein, dont les travaux ont complètement changé notre compréhension de la lumière.

L'indice de réfraction d'un matériau clair est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans ce matériau.

Rømer

Ole Christensen Rømer a utilisé une mesure astronomique pour faire la première estimation quantitative de la vitesse de la lumière. Lorsqu'elle est mesurée depuis la Terre, les périodes de lunes en orbite autour d'une planète lointaine sont plus courtes lorsque la Terre s'en approche que lorsqu'elle s'en éloigne. La distance parcourue par la lumière depuis la planète (ou sa lune) jusqu'à la Terre est plus courte lorsque la Terre se trouve au point de son orbite le plus proche de sa planète que lorsque la Terre se trouve 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 en fait la différence de temps que met la lumière à parcourir la distance plus ou moins longue. Rømer a observé cet effet pour la lune la plus intérieure de Jupiter, Io, et il en a déduit que la lumière met 22 minutes pour traverser le diamètre de l'orbite de la Terre.

Bradley

Une autre méthode consiste à utiliser l'aberration de la lumière, découverte et expliquée par James Bradley au XVIIIe siècle. Cet effet résulte de l'addition vectorielle de la vitesse de la lumière arrivant d'une source distante (comme une étoile) et de la vitesse de son observateur (voir le diagramme de droite). Un observateur en mouvement voit donc la lumière provenant d'une direction légèrement différente et voit par conséquent la source à une position décalée par rapport à sa position d'origine. Comme la direction de la vitesse de la Terre change continuellement lorsque la Terre tourne autour du Soleil, cet effet entraîne un déplacement de la position apparente des étoiles. À partir de la différence angulaire de la position des étoiles, il est possible d'exprimer la vitesse de la lumière en termes de vitesse de la Terre autour du Soleil. Cette vitesse, dont la durée est connue, peut être facilement convertie en temps nécessaire pour voyager du Soleil à la Terre. En 1729, Bradley a utilisé cette méthode pour calculer que la lumière se déplaçait 10 210 fois plus vite que la Terre sur son orbite (le chiffre moderne est 10 066 fois plus rapide) ou, de façon équivalente, qu'il faudrait à la lumière 8 minutes 12 secondes pour se déplacer du Soleil à la Terre.

Moderne

Aujourd'hui, le "temps de lumière par unité de distance" - l'inverse de c (1/c), exprimé en secondes par unité astronomique - est mesuré en comparant le temps nécessaire aux signaux radio pour atteindre différents engins spatiaux dans le système solaire. La position des vaisseaux spatiaux est calculée à partir des effets gravitationnels du Soleil et des différentes planètes. En combinant plusieurs de ces mesures, on obtient une valeur optimale pour le temps de lumière par unité de distance. En 2009 ^{[mise à jour]}, la meilleure estimation, telle qu'approuvée par l'Union astronomique internationale (UAI), est :

temps de lumière pour l'unité de distance : 499.004783836(10) s

c = 0,00200398880410(4) AU/s

c = 173,144632674(3) AU/jour.

L'incertitude relative de ces mesures est de 0,02 partie par milliard (2×10-11), ce qui équivaut à l'incertitude des mesures de longueur sur Terre 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 de lumière pour l'unité de distance peut également être interprétée comme la mesure de la longueur d'une UA en mètres. Le mètre est considéré comme une unité de longueur propre, alors que l'UA est souvent utilisée comme une unité de longueur observée dans un cadre de référence donné.

La vitesse finie de la lumière est une contrainte majeure pour les voyages spatiaux à longue distance. En supposant un voyage de l'autre côté de la Voie lactée, le temps total pour un message et sa réponse serait d'environ 200 000 ans. Plus grave encore, aucun vaisseau spatial ne pourrait voyager plus vite que la lumière, de sorte que tout transport à l'échelle galactique serait en fait à sens unique et prendrait beaucoup plus de temps que toute civilisation moderne.

La vitesse de la lumière peut également être préoccupante sur de très courtes distances. 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 au maximum qu'environ 30 centimètres en un seul cycle. Les processeurs doivent donc être placés à proximité les uns des autres pour minimiser les temps de latence de communication ; cela peut entraîner des difficultés de refroidissement. Si les fréquences d'horloge continuent à augmenter, la vitesse de la lumière finira par devenir un facteur limitant pour la conception interne des puces individuelles.

• L'expérience de Michelson-Morley