Chapitres
La lumière, une constante fondamentale de l'Univers ?
La lumière, une composante de la relation espace-temps
La vitesse de la lumière est présentée comme une constante fondamentale de l'univers.
? Elle représente la vitesse maximale à laquelle l'information, l'énergie et toutes les formes de matière peuvent se déplacer
Dans le vide, la vitesse de la lumière est d'environ 299 792 458 mètres par seconde (ou environ 1,08 milliard de kilomètres par heure). Cette constance de la vitesse de la lumière dans tous les référentiels inertiels est l'un des piliers de la physique moderne.
L'importance de la vitesse de la lumière dans le domaine de la physique est indéniable. Elle a révolutionné notre compréhension de l'espace-temps.
?? La théorie de la relativité générale/restreinte d'Albert Einstein, qui repose sur le postulat de la constance de la vitesse de la lumière, a bouleversé les notions traditionnelles de temps, d'espace et de mouvement. Elle a montré que la vitesse de la lumière agit comme une limite qui détermine la façon dont les événements se produisent et interagissent dans l'univers.
Cette constante fondamentale a également des implications profondes dans de nombreux domaines de la physique moderne, tels que :
- L'optique
- La cosmologie
- La mécanique quantique
- Les télécommunications
? Elle joue un rôle essentiel dans la compréhension des phénomènes astronomiques, la mesure des distances cosmiques et la recherche sur l'expansion de l'univers. En outre, l'étude de la vitesse de la lumière continue de stimuler des expérimentations scientifiques de pointe visant à améliorer nos connaissances et à repousser les limites de notre compréhension de l'univers.
Historique des découvertes concernant la vitesse de la lumière
L'histoire de la mesure de la vitesse de la lumière remonte à plusieurs siècles. Les premières estimations ont été faites par des scientifiques tels que Ole Rømer au XVIIème siècle et Hippolyte Fizeau au XIXème siècle.
C'est ensuite Galilée qui a réalisé une expérience pour tenter de mesurer sa vitesse de la lumière. En utilisant des lanternes éloignées, il a essayé de déterminer si la lumière se propageait instantanément ou avait une vitesse finie. Cependant, ses résultats n'ont pas été concluants et il n'a pas pu confirmer la vitesse de la lumière à son époque.
? Voici un récapitulatif des grandes découvertes concernant la lumière et le calcul de sa vitesse :
- Le savant arabe Alhazen (965-1039) s'intéresse à l'optique et rédige des traités de référence. Il est le premier à avoir l'intuition que l'apparition de la lumière n'est pas instantanée, que celle-ci à une vitesse de propagation mais il ne peut le prouver.
- Galilée (1564-1039) tente de mesurer la durée de propagation de la lumière entre deux collines à l'aide deux personnes éloignées de quelques kilomètres et munies d'horloges. Il ne parvient pas à mesurer la vitesse de la lumière (qui, dans le cadre de cette expérience, met 10-5 secondes à parcourir la distance précédemment définie, non mesurable pour l'époque), et déduit de l’échec de cette expérience que la vitesse de propagation de la lumière est très élevée.
- Cassini (1625-1712) suppose que l'irrégularité du mouvement de Io, un satellite de Jupiter, pourrait provenir d'un retard d'arrivée de la lumière depuis le satellite, "tel qu'il faut 10 ou 11 minutes pour qu'elle franchisse une distance égale au rayon de l'orbite de la Terre". Römer (1644-1710) explique le décalage entre les éclipses de Io (un satellite de Jupiter) et les prévisions de Cassini en supposant que la lumière possède une vitesse de propagation. C'est le premier à donner un ordre de grandeur de la vitesse de la lumière.
- Bradley (1693-1762) confirme l’hypothèse de Römer et propose une première estimation de la vitesse de la lumière à environ 10188 fois celle de la rotation de la Terre autour du Soleil, cette dernière étant cependant mal connue. Sa découverte est liée à l'aberration de la lumière, phénomène optique qui se traduit par le fait que la direction apparente d'une source lumineuse dépend de la vitesse de celui qui l'observe.
- Fizeau (1819-1896) met au point un dispositif qui lui permet d'évaluer la vitesse de la lumière. Il envoie un rayon lumineux entre la commune de Suresnes (Hauts-de-Seine, 92) et Montmartre (Paris). La lumière traverse une roue dentée, est réfléchie par un miroir, repasse par la roue et arrive enfin sur un écran. Selon la vitesse de la roue, la lumière peut être occultée ou non. Ce dernier paramètre étant connu, ainsi que l'intervalle entre deux dents et la distance exacte parcourue par la lumière, Fizeau parvient à estimer la vitesse de la lumière à 3,15 x 105 km/s.
- Cornu (1841-1902) : il perfectionne le dispositif de Fizeau et trouve une valeur de 3,004 X 105 km/s Les mesures réalisées par la suite (par Michelson, Newcomb et Perrotint) permettent d'obtenir des valeurs de plus en plus précises, afin d'arriver à celle utilisée aujourd'hui.
La contribution majeure d'Albert Einstein à la compréhension de la vitesse de la lumière vient de sa théorie de la relativité restreinte publiée en 1905.
?? Cette théorie a radicalement transformé notre vision de l'espace, du temps et du mouvement
Einstein a montré que la vitesse de la lumière est constante dans tous les référentiels inertiels, quel que soit le mouvement relatif de la source lumineuse et de l'observateur. Cette découverte a révolutionné la physique et a conduit à une compréhension plus profonde de la nature de la lumière et de la réalité elle-même.
Vitesse de la lumière : caractéristiques et valeurs ?
La définition précise de la vitesse de la lumière en tant que limite supérieure de la vitesse possible pour tout objet ou information signifie que rien ne peut se déplacer plus rapidement que la lumière dans le vide. La vitesse de la lumière dans le vide, qui est d'environ 299 792 458 mètres par seconde, est considérée comme une constante fondamentale de l'univers. Cette limitation de vitesse a été confirmée par de nombreuses expériences et observations scientifiques. Ainsi, aucun objet matériel ou information ne peut dépasser ou égaler cette vitesse, ce qui fait de la lumière une référence fondamentale pour la mesure de la vitesse dans l'univers.
Valeur exacte
La valeur exacte de la vitesse de la lumière a été fixée en 1983 par le Bureau des poids et des mesures à :
c = 299 792 458 m/s ou c = 2,99792458 x 10 8 m/s
Elle peut également s'exprimer en kilomètre par heure en multipliant la valeur en m/s par 3,6 :
c = 1 079 252 848,8 km/h ou c = 1,0792528488 x 109 km/h
Cette valeur, qui représente une constante fondamentale de la physique, peut être utilisée pour des calculs nécessitant une grande précision. Elle est également utilisée pour définir le mètre dans le système international des unités : un mètre correspond à la longueur parcourue dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 secondes.
Valeur approchée
Pour les calculs plus courants, on utilise une valeur approchée en mètre par seconde :
c = 3,00 x 10 8 m/s, ou en kilomètre par heure : c = 1,08 x 109 km/h
Ces valeurs comportant chacune 3 chiffres significatifs, et sont d'une précision suffisante pour la plupart des calculs impliquant la vitesse de la lumière.
Invariance de la vitesse de la lumière dans le vide
En mécanique classique, toute vitesse dépend du référentiel choisi. Ce n'est cependant pas le cas pour la lumière (et les rayonnements électromagnétiques en général) : sa vitesse est invariante.
?? Cela signifie qu'une lumière se propage à la même vitesse (c dans le vide) pour un observateur immobile par rapport à sa source ou pour un observateur en mouvement
Au contraire, la vitesse d'une onde sonore mesurée par un observateur dépend de la vitesse à laquelle celui-ci se déplace par rapport à la source du son.
Un test moderne de l'invariance de la vitesse de la lumière a été réalisé en 1964 par l'équipe d'Alväger, un physicien suédois, au sein du Synchrotron à Protons du CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire).
- Ce test, basé sur la technique du temps de vol, consistait à mesurer la vitesse de rayons γ provenant de la désintégration de particules nommées pions neutres π0, qui produisent des photons en se dégradant.
- L'invariance de la vitesse de la lumière constitue le postulat de base de la relativité restreinte établie par Albert Einstein au début du XX ème siècle. La vitesse de propagation de la lumière dans le vide est invariable quelle que soit la fréquence de l'onde lumineuse et quelle que soit le référentiel galiléen considéré.
Les implications de la vitesse de la lumière ?
L'influence du milieu matériel sur la vitesse de la lumière est un aspect important à prendre en compte.
? La lumière se déplace à une vitesse légèrement inférieure dans des milieux tels que l'air, l'eau ou le verre en raison des interactions avec les particules de ces matériaux. Cependant, ces variations restent relativement petites par rapport à la vitesse de la lumière dans le vide.
Les effets relativistes, tels que la dilatation temporelle et la contraction des longueurs, sont également liés à la vitesse de la lumière. À des vitesses proches de celle de la lumière, ces phénomènes deviennent significatifs, altérant notre perception du temps et de l'espace.
? La limite de la vitesse de la lumière a un impact majeur sur les voyages spatiaux interstellaires, car les distances astronomiques rendent les voyages à des vitesses proches de celle de la lumière extrêmement difficiles voire impossibles selon notre compréhension actuelle. De plus, la communication à travers de vastes distances dans l'univers est limitée par cette vitesse, ce qui soulève des défis pour l'exploration et la compréhension de l'univers lointain.
Vitesse de la lumière dans la matière
Dans la plupart des milieux matériels transparents, la lumière se propage à une vitesse inférieure à celle du vide : sa célérité dépend alors de la nature chimique du milieu, de sa densité, de sa concentration (pour les solutions), mais aussi de certaines grandeurs physiques telles que :
- La température
- La pression
- La longueur d'onde du rayonnement considéré
Les différents milieux transparents sont caractérisés par leur indice de réfraction (noté n).
Cet indice sans unité est toujours supérieur à 1, car on considère que pour le vide n=1, et permet retrouver à quelle vitesse la lumière se propage dans un milieu donné.
En effet, l'indice de réfraction (n) d'un milieu est défini comme le rapport de la vitesse de propagation de la lumière dans le vide (c) par la vitesse de propagation dans ce milieu (v) soit :
Donc 
?? Voici quelques exemples :
| Milieu | Air | Eau | Verre | Diamant |
|---|---|---|---|---|
| Indice de réfraction (n) | 1,00 | 1,33 | 1,50 | 2,42 |
| Célérité (c) | 3,00 x 10^8 m/s | 2,25 x 10^8 m/s | 2,00 x 10^8 m/s | 1,24 x 10^8 m/s |
Ce passage de la lumière d'un milieu à un autre est à l'origine des notions de réfraction et de réflexion de la lumière.
Applications de la vitesse de la lumière
La vitesse de la lumière joue un rôle fondamental dans de nombreux domaines scientifiques et technologiques :
- Dans le domaine de la physique, elle est utilisée pour étudier les phénomènes optiques, la propagation des ondes électromagnétiques et les interactions lumière-matière. La vitesse de la lumière est également essentielle en astronomie pour mesurer les distances cosmiques et étudier les objets célestes.
- Sur le plan technologique, elle est utilisée dans les communications optiques, les fibres optiques et les technologies laser. De plus, la vitesse de la lumière est une constante cruciale dans la théorie de la relativité restreinte, qui a transformé notre compréhension de l'espace-temps et a ouvert la voie à des avancées scientifiques majeures.
Vitesse ou célérité?
? La lettre « c » utilisée pour exprimer la vitesse de la lumière dérive du terme « célérité »
Ce terme désigne globalement la vitesse de propagation des ondes et peut être employé pour la lumière puisque celle-ci est une onde électromagnétique. Il implique la transmission d'une variation de paramètre physique (comme les champs électromagnétiques, la pression, une élongation, etc.), alors que la « vitesse » désigne plutôt un déplacement de matière.
Il est donc plus juste d'utiliser le terme de « célérité » que celui de « vitesse », à moins de préciser qu'il s'agit d'une « vitesse de propagation ». Le terme de « vitesse » reste néanmoins d'un usage plus courant.
Vitesse, distance parcourue et durée
Comme toutes les vitesses, la vitesse de la lumière (c) est définie comme le rapport de la distance parcourue notée d (la distance sur laquelle il y a eu propagation) par la durée de propagation noté Δt ce qui peut se traduire par la relation :
La vitesse de la lumière étant déjà connue, cette relation ne présente pas de réelle utilité pratique. Il est cependant possible d'utiliser cette relation pour exprimer soit la distance soit la durée.
- Distance parcourue par la lumière :
- Durée de propagation :
Relations incluant la vitesse de la lumière
La vitesse de la lumière dans le vide (c) intervient dans de nombreuses relations :
- Équivalence masse – énergie d'Einstein :
- Relation entre la fréquence (ν) et la longueur d'onde (λ) d'une onde électromagnétique :
- Relation entre une durée mesurée (ΔTm) et une durée propre (ΔT0) :
⚠️ Remarque : la vitesse de la lumière intervient dans la plupart des grandeurs physiques exprimées dans le cadre de la physique relativiste
Cas d'applications :
- L'optique et la technologie des télécommunications
- La recherche en astrophysique et la compréhension des phénomènes cosmiques
- Les expériences scientifiques actuelles visant à mesurer précisément la vitesse de la lumière
Plus vite que la lumière ? ?
Albert Einstein, physicien théoricien renommé, est principalement connu pour sa théorie de la relativité, qui a révolutionné notre compréhension de l'espace, du temps et de la gravité.
Sa théorie de la relativité restreinte a introduit le concept de l'invariance de la vitesse de la lumière et a établi une relation profonde entre la matière et l'énergie (E=mc²). Sa théorie de la relativité générale a décrit la gravité comme une courbure de l'espace-temps.
Ces découvertes ont ouvert la voie à de nombreuses avancées scientifiques et ont laissé une empreinte indélébile dans le domaine de la physique moderne.
La théorie de la relativité d'Einstein suppose qu'aucun objet ne peut atteindre une vitesse supérieure à c dans le vide. Cependant, il est possible pour un objet ou une particule de dépasser la vitesse de la lumière dans un milieu autre que le vide.
? Dans ce cas, la particule produit une lumière bleue intense lors de son déplacement à la vitesse de la lumière, puis constitue la pointe d'un "cône" de lumière bleue lorsque cette vitesse est dépassée. C'est ce qu'on appelle l'effet Cherenkov, du nom du chercheur qui l'a découvert, ce qui lui a valu un prix Nobel en 1958. C'est cet effet qui produit la couleur bleue caractéristique des piscines de refroidissement des centrales nucléaires.
Bien que ce phénomène soit pour le moment limité aux particules, il n'est pas impossible que les humains puissent un jour eux aussi, se déplacer à la vitesse de la lumière, à l'image de l'Enterprise de Star Trek !
Vitesse de la lumière : le saviez-vous ?
Il est possible de voir un éclair avant de l’entendre ! Cela s’explique par la différence entre la vitesse de la lumière et la vitesse du son. Cette dernière a une valeur approximative de 340 m/s, contre 3 x 108 m/s pour la lumière.
Le son étant donc beaucoup plus lent que la lumière, il est fréquent d’observer l’éclair avant d’entendre le tonnerre. Le moment où l’éclair est visible est donc véritablement le moment où la foudre traverse le ciel, mais le moment où on entend le tonnerre peut présenter un décalage. Plus le point de chute de l’éclair est éloigné du point d’observation, plus ce décalage sera important.
Il est par ailleurs possible d’estimer la distance nous séparant de cet éclair, en comptant le décalage entre la lumière et le son : 3 secondes de décalage sont approximativement équivalentes à 1 km de distance. Il faut donc diviser par 3 le décalage décompté afin d’obtenir une estimation en km.
? Attention, il est important de rappeler que le son ne se propage pas dans le vide, car c’est une onde mécanique, et non électromagnétique comme la lumière. Elle a donc besoin d’un milieu pour se propager. Tous les sons produits dans l’espace que l’on peut donc observer dans les films sont faux !
Vous savez désormais tout sur la relation vitesse et lumière !
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Peut on me dire si un objet qui s’approche de la vitesse de la lumière voit sa dimension changer ?
Bonjour, nos talentueux professeurs sont disponibles pour toute aide personnalisée, n’hésitez pas à les solliciter. 🙂
Super
très instructif.
la constante lumineuse restera désormais là dans votre cervelle
Il est tout de même curieux de continuer à croire à l’impossibilité de la quadrature du cercle alors que le nombre réel Pi(π) n’est pas le rapport de la circonférence d’un cercle sur son diamètre , il en est seulement spatialement infiniment proche.Mohwali Awamar
c’est vraiment clair simple !