Vitesse de la lumière - Définition

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La vitesse de la lumière (299 792 458 m/s) a été mesurée dès le XVIIe 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 (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une...) de transmission (dû au changement des distances relatives entre la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) et Jupiter). La vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...) fut alors estimée à 200 000 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...), environ 35% en dessous de sa vraie valeur du fait des incertitudes de l'époque sur la taille de l'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) de la Terre. Ce résultat fascinera plus tard Voltaire, qui en parlera dans ses ouvrages.

Rømer invalidait ainsi un résultat de Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence,...) qui, expérimentant avec un aide muni d'une lanterne, avait cru que la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) se transmettait de façon instantanée.

Albert Einstein
Cet article de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) fait
partie de la série relativité
Bases
histoire - théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...)
Lorentz - Einstein - Mach
transformation de Lorentz (Les transformations de Lorentz sont des transformations linéaires des coordonnées d'un...)
Feynman - Poincaré - Michelson
espace-temps-c - E=mc² - t
EQR
exp:Michelson et Morley
exp:pensée?-éther
jumeaux-train
relativité restreinte-générale
théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de...)
controverse historique
Techniques
cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en...)
accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs...)
Méta
article
Liens physique
Formulaire

La vitesse (On distingue :) de la lumière dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.)

D'après les théories de la physique moderne, et notamment les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois...), la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du...) et toutes les ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) électromagnétiques ont une vitesse constante dans le vide, la vitesse de la lumière.

On la considère donc comme une constante physique (En science, une constante physique est une quantité physique dont la valeur numérique est...) 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 (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) (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 (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) émettant la lumière, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) observateur obtiendra la même mesure.

Aucun objet matériel ni aucun signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) 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 (L'ombre portée est la zone soustraite aux rayons lumineux incidents par un objet sur son...) 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...). Ce ne sont en fait même pas des objets à proprement parler.

L'expérience d'Alain Aspect (Alain Aspect est un physicien français, né en 1947, connu notamment pour avoir conduit le...) 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 (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...). En effet, depuis 1983, le mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du...) est défini à partir de la vitesse de la lumière dans le vide dans le système international d'unités (lien), comme étant la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) 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 (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) de la lumière avec la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...)

  • 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 (La réfraction, en physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie...).

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 (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) les neutrinos peuvent aller plus vite que la lumière.

Pourquoi est-ce la plus grande vitesse possible ?

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

La vitesse de la lumière n'est pas une vitesse limite au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) conventionnel. Nous avons l'habitude d'additionner des vitesses, par exemple nous estimerons normal que deux voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) roulant à 60 kilomètres à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...) 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 XIXe siècle, diverses expériences (notamment, celle de Michelson) et observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) 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).
Diagramme des compositions de vitesses. Le côté asymptotique de la vitesse c (ici : 1) apparaît nettement.
Diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées,...) des compositions de vitesses. Le côté asymptotique de la vitesse c (ici : 1) apparaît nettement.

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

L' effet devient plus visible lorsque les vitesses dépassent c/10, et spectaculaire à mesure que v/c se rapproche de 1 : deux vaisseaux spatiaux voyageant l'un vers l'autre à la vitesse de 0,8×c (par rapport à un observateur entre les deux), ne percevront pas une vitesse d'approche (ou vitesse relative) égale à 1,6×c, mais seulement 0,96×c en réalité (voir tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) ci-contre).

Ce résultat est donné par la transformation de Lorentz :

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

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 (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) d'un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique...) transmis entre deux objets en déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) relatif sera modifiée par effet Doppler-Fizeau (L’effet Doppler est le décalage de fréquence d’une onde acoustique ou...).

Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...) unifia les travaux de ses trois collègues en une théorie de la relativité homogène, appliquant ces étranges conséquences à la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) 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 (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) 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 \gamma = 1 / \sqrt{1 - v^2/c^2} donnent une énergie réelle pour chacun des groupes définis précédemment .

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