Vitesse de la lumière - Définition

Pourquoi la vitesse de la lumière dans le vide est-elle la plus grande vitesse possible ?

La vitesse de la lumière dans le vide 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 dans le vide, 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) ;
• introduire un nouveau concept, la constance de c (constatée par l’expérience).

Diagramme 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 troisième observateur), ne percevront pas une vitesse d’approche (ou vitesse relative) égale à 1,6 c, mais seulement 0,98 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 ; en revanche, la fréquence observée d’un rayonnement électromagnétique transmis entre deux objets en déplacement relatif (ainsi que les quantums d’énergie associée entre le rayonnement émis et le rayonnement perçu par l’objet cible) 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, particules hypothétiques dont la masse au repos est un nombre imaginaire, se déplacent, par définition, uniquement à des vitesses supérieures à c, s'ils existent ; la plupart des physiciens considèrent que ces particules n’existent pas (pour des raisons de causalité selon les principes actuels).

Les masses au repos combinées avec le facteur multiplicatif donnent une énergie réelle pour chacun des groupes définis précédemment.

Cas de dépassements apparents

Ce qu'interdit la relativité restreinte, c'est de transporter l'énergie ou l'information plus vite que c.

Seuls peuvent « voyager » plus vite que c (à vitesse dite supraluminique) des fronts virtuels (certains veulent citer l’exemple de l’ombre portée à grande distance d’un objet en rotation autour d’une source lumineuse, mais oublient de préciser la forme réelle de cette « ombre », même si la lumière est transportée en ligne « droite » dans le vide sur ces distances en oubliant de prendre en compte la dispersion des transporteurs de la lumière par le phénomène probabiliste de la diffraction ; et on ne peut pas se servir de ces objets immatériels pour transmettre un signal, ni de l’énergie. Ce ne sont en fait même pas des objets à proprement parler.

Le paradoxe EPR et son expérimentation ont montré que la physique quantique donne des exemples pour lesquels les particules se comportent comme si elles pouvaient se coordonner alors que les écarts dans l'espace et le temps réclameraient pour cela de dépasser c. Pourtant, ce phénomène ne peut justement pas être utilisé pour transmettre de l'information.