Vitesse de la lumière
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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 chose, ou à l’expiration duquel on sera tenu de faire une certaine...) de transmission (dû au changement des distances relatives entre la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus...) et Jupiter). La vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant...) fut alors estimée à 200 000 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la...) par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...), 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 autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) 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, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du...) 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 humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...) se transmettait de façon instantanée.

Albert Einstein
Cet article de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) fait
partie de la série relativité
Bases
histoire - théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une...)
Lorentz - Einstein - Mach
transformation de Lorentz
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 relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant...)
controverse historique
Techniques
cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique suivent une trajectoire en forme de spirale et sont...)
accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses...)
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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 fondamentales de la physique. Elles constituent les postulats de base de...), la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.) et toutes les ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) 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 fixe. Contrairement à une constante mathématique, elle implique directement une grandeur physiquement...) 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 un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) émettant la lumière, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) observateur obtiendra la même mesure.

Aucun objet matériel ni aucun signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) 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 support. De façon conventionnelle, en dessin technique, l'ombre...) 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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). 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. Il est reconnu, entre autre, pour avoir conduit le premier test concluant portant sur un des paradoxes...) 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 division entre les définitions réelles et les définitions nominales.). En effet, depuis 1983, le mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) 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 éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) 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 d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) de la lumière avec la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...)

  • 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 (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de celle-ci change entre deux milieux. Typiquement, cela...).

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 organismes vivants connus.) 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 l'extension radicale de l'espérance de vie...) 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 moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de...) roulant à 60 kilomètres à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences...) 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 modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) 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 constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc....) 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 phénomène périodique se reproduit par unité de temps....) d'un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.) transmis entre deux objets en déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur,...) relatif sera modifiée par effet Doppler-Fizeau (L'effet Doppler-Fizeau est le décalage entre la fréquence de l'onde émise et de l'onde reçue lorsque l'émetteur et le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre ; il apparaît aussi lorsque l'onde...).

Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut...) 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 (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement,...) 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 corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation...) 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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