Vitesse lumière

Tout savoir sur la vitesse de la lumière

Pendant des siècles, la lumière a été un grand mystère pour l’homme. Ce n’est qu’à partir du XXe siècle qu’on a compris qu’il s’agissait en fait d’une onde électromagnétique. La lumière est donc l’effet optique que produit la combinaison d’un champ électrique et d’un champ magnétique qui oscillent, l’un à l’autre, en perpendiculaire. La vitesse de la propagation de la lumière dans le vide est constante.

Bref mis au point sur la vitesse de la lumière dans le vide

Il est possible de parler de la vitesse de la lumière dans sa valeur exacte. Mais, bien souvent, on utilise aussi sa valeur approchée.

Valeur exacte de la vitesse de la lumière

À partir de l’année 1983, le Bureau des poids et des mesures a défini la valeur exacte de la vitesse de la lumière à une valeur « c ». Celle-ci est égale à 299 792 458 mètres par seconde. « c » peut aussi être défini à 2,999792458 x 108 m/s si on utilise les unités du système international. Outre cela, il est aussi possible d’exprimer cette valeur exacte en kilomètre par heure.

Pour ce faire, il suffit de multiplier la valeur de « c » exprimée en m/s par 3,6, ce qui donne 1 079 252 848,8 km/h ou 1,0792528488 x 1010 km/h dans le langage international.

La valeur « c » est en réalité une constante fondamentale dans le domaine de la physique. Il est possible de l’utiliser pour faire des calculs qui nécessitent de grandes précisions. Mais, le système international des unités l’utilise également pour déterminer le mètre. En effet, un mètre équivaut à la longueur parcourue par la lumière dans le vide pendant 1/299 792 458 de secondes.

Valeur approchée de la vitesse de la lumière

Pour les calculs les plus courants qui nécessitent un peu moins de précisions, l’utilisation de la valeur approchée de la vitesse de la lumière dans le vide est plus recommandée. La valeur « c »peut alors être définie à 3,00 x 108 lorsqu’elle est exprimée en mètre par seconde et à 1,08 x 109 lorsqu’elle est exprimée en kilomètre par heure.

La valeur rapprochée de la vitesse de la lumière est composé de 3 chiffres. Ces derniers permettent d’avoir des résultats suffisamment précis pour les calculs qui exigent l’implication de la célérité de la lumière. Cette théorie est vérifiée dans la plupart des cas.

Historique de la vitesse de la lumière en quelques lignes

Au tout début, les conceptions relatives à la lumière étaient trop vagues En effet, on supposait que la lumière était instantanée puisqu’elle pouvait tout simplement être présente ou être absent dans un espace. Autrement dit, la notion de sa propagation dans l’espace était encore inconnue de tous. Ce n’est qu’au fil des années que les scientifiques ont essayé de trouver des explications et concepts plus rationnels.

Abu Ali al-Hasan ibn al-Hasan ibn al-Haytham, un savant arabe qui a vécu entre 965 et 1039, a été la première personne qui s’est rendu compte que la lumière n’apparaît pas de manière instantanée comme on l’a toujours pensé. Seulement, à cette époque, il ne savait pas encore par quel moyen il pourrait démontrer l’existence de la vitesse de propagation de la lumière.

Galileo Galilei a alors tenté de vérifier cette hypothèse en faisant l’expérience à l’aide d’une horloge et de deux personnes positionnées à une certaine distance. Une expérimentation qui n’a donné aucun résultat puisque le savant n’a pas pu mesurer la vitesse de lumière. Il a donc déduit que la vitesse très élevée de la propagation de la lumière est une hypothèse erronée.

Mais, Jean-Dominique Cassini (ou Cassini 1er) et Ole Christensen Rømer ne sont pas contenté de l’échec de l’expérience de Galileo. En effet, ils ont continué la recherche en se basant sur l’observation de Io. Il s’agit d’un satellite de Jupiter. Römer a alors été le premier savant qui a pu fournir un ordre de grandeur à la supposée vitesse de la lumière.

James Bradley a, par la suite, confirmé l’hypothèse de Römer. Ce dernier a même proposé une première valeur estimative de la vitesse de la lumière qui équivaut à environ 10188 fois de la vitesse de rotation de la Terre autour du Soleil. Mais, sa découverte n’a pas eu un grand succès puisqu’à l’époque la conception de la vitesse de la lumière était encore très floue aux yeux de tous.

Au cours des années 1800, Armand Hippolyte Fizeau a repris la recherche et a réussi à mettre au point un dispositif qui permet d’avoir une estimation de la vitesse de la lumière. En effet, il a pu évaluer la vitesse de la lumière à 3,15 x 105 kilomètres par seconde.

Afin d’obtenir un résultat encore plus précis, Alfred Cornu a perfectionné le dispositif conçu par Fizeau. Il parvient alors à obtenir une valeur estimative de 3,004 X 105 kilomètres par seconde.

C’est alors que des chercheurs, tels que Michelson ou Perrotint, ont mené des travaux de recherche beaucoup plus précis. Ces derniers se sont succéder pour tenter d’obtenir des valeurs encore plus près de l’exacte. Ce n’est qu’après qu’on a pu arriver jusqu’à celle qu’on a aujourd’hui.

Constance de la vitesse de la lumière dans le vide

En général, les rayonnements électromagnétiques font exception au principe de la mécanique classique que : « toute vitesse varie en fonction du référentiel choisi ». La vitesse de la lumière reste alors aussi inchangée. Autrement dit, la propagation de la lumière dans le vide se fait à la même vitesse « c ». Cela signifie qu’elle ne considère pas la mobilité ou l’immobilité de l’observateur.

Au début du XXe siècle, en 1905, Albert Einstein a élaboré la théorie de relativité restreinte. Celle-ci consiste à démontrer que la vitesse de la lumière reste constante. Elle ne tient donc pas compte de la référence galiléenne et de la fréquence de l’onde lumineuse.

Mais, il y a également l’expérimentation moderne qui a été menée par l’équipe d’Alväger au niveau de l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN). C’est sur la technique du temps de vol que ce test a été fondé. Il consiste essentiellement à déterminer la vitesse de rayon y qui provient de la désintégration de particules π0 (pions neutres). En se dégradant, ces derniers génèrent des photons.

Effet de la matière sur la propagation de la lumière

La vitesse de propagation de la lumière dans des milieux matériels transparents est inférieure à sa vitesse de propagation dans le vide. Dans ce cas de figure, son allure varie en fonction de différents facteurs. Elle dépend alors de la densité du milieu, de la nature chimique, de la concentration (s’il s’agit d’une solution) et de diverses grandeurs physiques (pression, température, longueur de l’onde du rayonnement concerné).

Un indice de réfraction, noté n, caractérise chaque milieu transparent. C’est un indice sans unité qui permet de mesurer la vitesse de propagation de la lumière dans un milieu transparent. Sa valeur est toujours supérieure à 1. En effet, on attribut l’indice n=1 au vide.

Par définition, l’indice de réfraction d’un milieu est le rapport entre la vitesse de propagation de la lumière et la vitesse de propagation de la lumière dans le milieu concerné (noté v). On obtient alors la formule suivante :

Quelques exemples sur la vitesse de propagation de la lumière dans différents milieux

On estime la vitesse de la propagation de la lumière dans l’eau à 225 000 000 mètres par seconde. Dans le verre, la lumière se déplace à 200 000 000 mètres par seconde. Dans le diamant, sa vitesse est de 125 000 000 mètres par seconde.

Utilisation du terme « célérité »

Certaines personnes se perdent dans l’usage des termes « vitesse » et « célérité ». Tous les deux sont pourtant adaptés. En fait, la lettre « c » qui est utilisée pour désigner la vitesse de la lumière provient du terme célérité.

La célérité est une désignation globale de la vitesse de propagation des ondes. Puisque la lumière est une onde électromagnétique, le terme est alors parfaitement approprié. La vitesse est en fait un terme qui désigne tout simplement le déplacement de matière. La célérité, quant à elle, prend en compte la transmission d’une variation de paramètre physique. Elle considère notamment la pression, les champs électromagnétique, etc.

En somme, même si l’utilisation du terme « vitesse » est assez courante, le terme « célérité » est plus exact. On recommande alors d’ajouter plus de précision. Le terme « vitesse de propagation » est plus approprié que le terme « vitesse » tout court.

Qu’en est-il de l’expression « rien ni personne ne peut aller plus vite que la lumière » ?

Il n’existe aucun objet sur terre qui est capable d’atteindre (ou d’aller au-delà) de la vitesse de la propagation de la lumière dans le vide. C’est une affirmation basée sur la théorie de la relativité établie par Einstein. En d’autres termes, le fait qu’il n’y a aucun objet qui soit capable d’atteindre une vitesse qui est supérieure à c dans un autre milieu que le vide n’a pas encore été démontré. La probabilité qu’une particule ou un objet soit capable de se déplacer plus vite que la lumière n’est pas nulle. En conclusion, on peut alors dire que l’affirmation de cette célèbre expression n’est justifiée que sur le plan théorique.