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Vitesse de la lumière

Définition de la lumière

   Catégorie : matière et particules
Mise à jour 01 juin 2013

La lumière est un phénomène ondulatoire visible correspondant à une petite gamme des vibrations électromagnétiques que l'on trouve dans le spectre électromagnétique. La nature de la lumière relève de la mécanique quantique pour laquelle elle est à la fois une onde et une particule. La lumière possède une longueur d'onde, qui en détermine la couleur, par exemple le rouge émet dans la longueur d'onde de 700 nanomètres, le Orange 650 nm, le Jaune 600 nm, le Vert 550 nm, le Bleu 500 nm et le Violet 450 nm. C'est cette fenêtre qu'a choisi l'œil humain pour se spécialiser. Mais la lumière invisible, s'étale sur un plus grand champ électromagnétique.
Maxwell a déterminé que la lumière est une onde électromagnétique et qu'il n'y a aucune raison de limiter la longueur d'onde de celle-ci à l'intervalle correspondant au spectre de la lumière visible, tout le spectre est lumière. Depuis, on a pu observer que les longueurs d'ondes électromagnétiques varient entre 10-16 m et plusieurs milliers de kilomètres. Les différentes fenêtres du spectre électromagnétique se caractérisent par une longueur d'onde, mais aussi par une plage de fréquences définies.

 

Par exemple une onde radio est une onde électromagnétique dont la fréquence est inférieure à 3000 GHz, soit une longueur d'onde supérieure à 0,1 mm. La fréquence est le nombre d'oscillations électromagnétiques qui passent par un point donné en une seconde. Elle s'exprime avec l'unité de fréquence qui est le hertz. Plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est élevée, jusqu'aux très hautes fréquences. La fréquence est donc inversement proportionnelle à la longueur d'onde. La vitesse de la lumière appelée c comme célérité, n'est une constante physique, que dans le vide car les photons ont une masse nulle. Le rayonnement électromagnétique en général a une vitesse constante dans le vide et en "ligne droite", qu'on appelle vitesse de la lumière. Elle est fixée à 299 792 458 m/s.

Image : Le spectre électromagnétique regroupe toutes les fenêtres de lumière. Image du Soleil prise dans l'ultraviolet, à la longueur d'onde de 171 angströms ou 17,1 nanomètre.  Crédits : sonde spatiale SOHO instrument EIT (Extreme ultraviolet Imaging Telescope), ESA/NASA.

 protubérance du Soleil bleu

La vitesse de la lumière

    

En 1905, Albert Einstein (1879 − 1955), a publié une théorie qui a bouleversé notre représentation du monde. Il a découvert que le temps peut s'écouler plus lentement et que l'espace peut se contracter. Au 19è siècle on pensait que toutes les ondes avaient besoin d'un support pour se déplacer comme l'air ou l'eau, pour le son. On imaginait que les ondes lumineuses se déplaçaient dans le vent de l'éther luminifère.
A la fin du 19è siècle, 2 physiciens, Albert Abraham Michelson (1852 − 1931) et Edward Williams Morley (1838 − 1923) ont cherché à déterminer ce flux de l'éther, en mesurant la vitesse de la lumière entre deux directions perpendiculaires à deux périodes de l'année. Ils s'attendaient à mesurer des variations de cette vitesse mais le résultat fut surprenant, tous les rayons de lumière avaient la même vitesse. Cette célèbre expérience valut à Michelson le prix Nobel de physique en 1907. A chaque fois qu'un progrès technique permet de gagner en précision, cette expérience est refaite  et le résultat est toujours le même, la vitesse de la lumière est la même dans toutes les directions. La vitesse de la lumière a donc été fixée à 299 792 458 m/s en 1983 par le Bureau international des poids et mesures ce qui permet aussi de donner une définition précise au mètre. Comme la vitesse de la lumière est la même dans toutes les directions, elle entre en contradiction avec les lois de la mécanique de Newton et  la relativité galiléenne où les vitesses s'ajoutent. La relativité galiléenne dit que le mouvement dépend du référentiel où on le mesure, c'est à dire qu'il est différent selon le mouvement de l'observateur.

 

Un observateur au sol qui voit passer un avion, n'a pas la même perception de la vitesse de l'avion qu'un pilote volant  à côté, dans un autre avion. Selon cette théorie, l'homme au sol et le pilote de l'avion devraient voir les rayons de lumière voyager à des vitesses différentes. Aussi, un avion volant à la vitesse de la lumière aurait pu voir que la lumière faisait du sur place.
Une lumière qui ne bouge pas !
Einstein ne pouvait le concevoir. Pour lui, il était plus vraisemblable que la lumière ait toujours la même vitesse, il s'intéressa donc aux publications de Michelson et Morley. Si la vitesse de la lumière est toujours constante, deux observateurs qui ont des mouvements différents, doivent enregistrer pour un photon, une vitesse et une distance parcourue identiques. Or ce n'est pas ce qu'on observe. La distance et le temps ne sont pas des constantes mais se dilatent et se contractent.
299 792 458 m/s = espace / temps

nota : « Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 seconde. »

Image : Einstein va remettre en cause et relativiser le caractère absolu de l'espace et du temps. La vitesse est égale à la distance divisée par le temps mais la vitesse est constante et donc les 2 autres termes de l'équation, la distance et le temps, dépendent du mouvement de l'observateur.

 albert einstein et la vitesse de la lumière

L'espace et le temps

    

Un rayon laser qui se réfléchit sur la Lune met 1,3 s à l'aller et 1,3 s au retour. Le va et vient du mouvement du rayon laser qui voyage entre 2 miroirs peut être considéré comme une horloge.
Un pilote qui passe à très grande vitesse à côté de la Terre et de la Lune observe un phénomène étrange, il voit la lumière se déplacer non pas à la verticale mais en zigzag. De son point de vue le rayon parcoure une distance plus longue que s'il était un simple observateur sur Terre. Si on compare les 2 distances parcourues par le laser, celle de l'observateur au sol est plus courte que celle vue par le pilote.
Étant donné que la lumière ne peut avoir qu'une seule vitesse, elle ne peut pas compenser la différence. Elle a donc besoin de plus de temps. Ainsi du point de vue du pilote le pendule de lumière oscille plus lentement, le temps s'écoule plus lentement. Dans le vaisseau spatial, le temps se dilate.
Cette première découverte d'Einstein révolutionne notre vision du monde, le mouvement provoque un ralentissement du temps. Depuis cette théorie a été démontrée maintes fois, de manière pratique avec les horloges atomiques qui permettent des mesures extrêmement précises. Deux horloges atomiques, l'une installée dans un avion et l'autre placée sur terre, obtiennent des mesures du temps différentes. L'horloge de l'avion est plus lente de quelques nanosecondes, mais la différence est réelle. Cette infime différence tient à la vitesse de l'avion.

 

Tous les engins en mouvement sont touchés par la dilatation du temps. Plus le pilote va vite plus le temps se dilate. Mais il ne remarque rien, ils ne voient ni la dilatation du temps, ni que le vaisseau et lui-même se contractent dans la direction du mouvement.
C'est la deuxième découverte étrange d'Einstein, les objets en mouvement se contractent.
Après un voyage d'un an à 90% de la vitesse de la lumière le pilote du vaisseau spatial a vieilli d'un an. Les terriens eux, ont vieillis de 20 ans.
Il a donc "voyagé dans le futur". Mais ce voyage imaginaire du pilote ne  se vérifiera que lorsque nous aurons multiplier par 15 000, la vitesse de nos vaisseaux spatiaux.
New Horizons est l'engin terrestre le plus rapide voyageant dans l'espace. Au large de Jupiter, il a atteint, par effet d'assistance gravitationnelle, une vitesse de 75 000 km/h ou 21 km/s. La Terre voyage autour du Soleil à environ 105 522 km/h ou 29,3 km/s.

nota : Un voyageur immobile voyage dans le temps et non dans l'espace mais un voyageur qui se déplace, voyage dans l'espace et dans le temps mais s'il voyage dans l'espace à la vitesse de la lumière il ne peut plus se déplacer dans le temps. Un photon voyage à la vitesse de la lumière et pour lui le temps ne s'écoule pas, la lumière ne vieillit pas. Les premiers photons de l'Univers sont toujours là.

 voyage de la lumière entre la Terre et la Lune

Image : A gauche de l'image l'observateur sur Terre voit le rayon laser se déplacer à la verticale et le pilote du vaisseau spatial le voit se déplacer en zigzag et ainsi parcourir une distance plus longue.

Que devient la masse ? 

    

Plus un corps se déplace rapidement plus sa masse augmente. C'est la troisième découverte d'Einstein. Il constate que la masse n'est rien d'autre que de l'énergie sous une forme particulière. C'est la conclusion la plus importante de sa théorie de la relativité. Cette énergie est calculée en multipliant la masse par le carré de la vitesse de la lumière (E=mc2). On comprend alors que la puissance de l'énergie contenue dans la matière est gigantesque, même quand un corps est inerte. E est l'énergie exprimée en joule, m la masse en kg et c la vitesse de la lumière en m/s. 
L’énergie correspondant à 1 kg de matière est sidérante, car elle atteint 9×1016 joules (1kw/h = 3 600 000 J). Cela correspond à l’énergie produite par un réacteur nucléaire d'une puissance de 1 400 MW pendant deux ans environ. Alors que cette formule est considérée comme une simple possibilité théorique, les physiciens de l'atome constatent que les protons et neutrons sont liés les uns aux autres par une incroyable force. Cette force explique le fonctionnement de notre Soleil et l'énorme puissance de destruction de la bombe atomique. E=mc2 n'est plus une simple théorie. Einstein a redéfini certaines lois de la nature, mais sa théorie a des limites, c'est pour cela qu'elle s'appelle théorie de la relativité restreinte. C'est seulement lorsque des objets passent à grande vitesse, en ligne droite à côté de l'observateur, qu'ils rétrécissent et que les horloges ralentissent. Il manquait une force dans sa théorie qui ne s'y intègre pas, la Gravité alors qu'elle influence tous phénomènes physiques. Pendant 10 ans il se bat avec la théorie générale de la relativité pour enfin trouver la solution en 1916. Le temps et l'espace ne sont pas seulement modifiés par le mouvement mais aussi par la matière. Plus nous nous approchons du  centre de la Terre, plus l'horloge ralentit.

 

Au bord de la mer le temps s'écoule plus lentement qu'au sommet de l'Everest. A 20 200 km d'altitude la différence de temps avec le sol est sensible au point qu'elle est prise en compte par les satellites de positionnement GPS.
La matière influence aussi l'espace, ce qui a pour effet de modifier la longueur des objets lorsqu'ils s'approchent des corps célestes. Si on introduit une toise traversant le centre de la Terre pour en mesurer le diamètre, elle indiquera une valeur plus grande que la longueur du diamètre. Einstein en conclut que l'espace augmente. On a du mal à imaginer qu'au centre de la Terre il y a un volume plus grand qu'on ne le voit de l'extérieur. C'est pour cela qu'on simplifie la représentation de l'espace sur une surface plane bidimensionnelle  courbée par la gravité. Quand l'espace augmente la surface s'étire et se courbe. C'est le plus grand exploit d'Einstein, il a tout simplement réussi à définir la Gravité. Si nous tombons, c'est à cause de la courbure de l'espace temps. C'est aussi cette courbure qui impose aux planètes une trajectoire en orbite autour du puits gravitationnel du Soleil. La preuve de l'existence de cette courbure est venue le 29 mai 1919 lors d'une éclipse totale du Soleil par la Lune. Les étoiles derrière le Soleil sont visibles pendant quelques minutes car en passant près du Soleil la lumière est déviée et se déplace sur une trajectoire courbe. Cette première observation de la structure de l'espace temps, conforme à la théorie, fit le triomphe d'Einstein. Quand une étoile s'effondre sur elle même en fin de vie, elle implose sous l'énorme pression de sa propre gravité. Elle courbe l'espace temps de manière si intense que plus aucune lumière ne s'échappe du puits gravitationnel et l'étoile devient invisible, c'est ce qu'on appelle un trou noir.

 l'espace temps courbé par la gravité

Image : Représentation simplifiée de l'espace sur une surface plane bidimensionnelle courbée par la gravité. Quand l'espace augmente la surface s'étire et se courbe.
La théorie de la relativité appartient à une théorie encore plus vaste que nous ne comprenons pas encore.

« Il est absolument possible qu'au delà de ce que perçoivent nos sens, se cachent des mondes insoupçonnés. » Albert Einstein prix Nobel de physique 1921.

« La théorie de la relativité générale est une théorie de la gravitation et tout comme la théorie newtonienne de la gravitation qu’elle affine et étend, son habitat naturel est l’astronomie ».  Subrahmanyan Chandrasekhar prix Nobel 1983.

Il est plus juste de dire "théorie générale de la relativité" que "théorie de la relativité générale", c'est la théorie qui est générale et non la relativité. La théorie générale étend la théorie restreinte de la relativité, à la gravitation.
Pour les puristes, la théorie générale de la relativité est une théorie relativiste de la gravitation élaborée entre 1907 et 1915 principalement par Albert Einstein. Marcel Grossmann et David Hilbert sont également associés à cette réalisation pour avoir aidé Einstein à franchir les difficultés mathématiques de la théorie. La théorie générale de la relativité énonce que la gravitation est la manifestation de la courbure de l'espace-temps, produite par la distribution de la matière et de l'énergie. La mesure de la courbure moyenne de l'espace-temps est égale à la mesure de la densité d'énergie (Gij = χ Tij) Gij est le tenseur d'Einstein qui représente la courbure de l'espace-temps en un point, Tij est le tenseur énergie-impulsion qui représente la contribution de toute la matière et énergie à la densité d'énergie en ce point du champ gravitationnel. χ est un simple facteur dimensionnel, permettant d'exprimer l'équation dans les unités usuelles et de faire correspondre l'équation à la réalité physique et à la valeur observée de la constante gravitationnelle.

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