QUELLE EST LA VITESSE DE LA LUMIèRE?

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Depuis les temps anciens, les philosophes et les érudits ont cherché à comprendre la lumière. En plus d'essayer de discerner ses propriétés de base (c'est-à-dire de quoi est-il fait - particule ou onde, etc.), ils ont également cherché à faire des mesures finies de sa vitesse de déplacement. Depuis la fin du XVIIe siècle, les scientifiques font exactement cela et avec une précision croissante.

Ce faisant, ils ont acquis une meilleure compréhension de la mécanique de la lumière et du rôle important qu'elle joue en physique, en astronomie et en cosmologie. En termes simples, la lumière se déplace à des vitesses incroyables et est la chose qui se déplace le plus rapidement dans l'univers. Sa vitesse est considérée comme une barrière constante et incassable, et est utilisée comme moyen de mesurer la distance. Mais à quelle vitesse voyage-t-il?

Vitesse de la lumière (c):

La lumière se déplace à une vitesse constante de 1 079 252 848,8 (1,07 milliard) km / h. Cela équivaut à 299 792 458 m / s, soit environ 670 616 629 mph (miles par heure). Pour mettre cela en perspective, si vous pouviez voyager à la vitesse de la lumière, vous seriez en mesure de faire le tour du globe environ sept fois et demi en une seconde. Pendant ce temps, une personne volant à une vitesse moyenne d'environ 800 km / h (500 mph), mettrait plus de 50 heures pour faire le tour de la planète une seule fois.

Pour mettre cela dans une perspective astronomique, la distance moyenne de la Terre à la Lune est de 384 398,25 km (238 854 milles). La lumière traverse donc cette distance en une seconde environ. Pendant ce temps, la distance moyenne entre le Soleil et la Terre est d'environ 149 597 886 km (92 955 817 miles), ce qui signifie que la lumière ne prend que 8 minutes environ pour faire ce voyage.

Il n'est donc pas étonnant que la vitesse de la lumière soit la métrique utilisée pour déterminer les distances astronomiques. Quand nous disons qu'une étoile comme Proxima Centauri est à 4,25 années-lumière, nous disons qu'il faudrait - voyageant à une vitesse constante de 1,07 milliard de kilomètres par heure (670616629 mph) - environ 4 ans et 3 mois pour y arriver. Mais comment en est-on arrivé à cette mesure très spécifique de la «vitesse de la lumière»?

Histoire de l'étude:

Jusqu'au 17e siècle, les savants ne savaient pas si la lumière voyageait à une vitesse limitée ou instantanée. Des jours des anciens Grecs aux savants et scientifiques islamiques médiévaux du début de la période moderne, le débat allait et venait. Ce n'est qu'avec les travaux de l'astronome danois Øle Rømer (1644-1710) que la première mesure quantitative a été effectuée.

En 1676, Rømer a observé que les périodes de la lune la plus intérieure Io de Jupiter semblaient être plus courtes lorsque la Terre approchait de Jupiter que lorsqu'elle s'éloignait d'elle. À partir de cela, il a conclu que la lumière se déplace à une vitesse finie et a estimé qu'il fallait environ 22 minutes pour traverser le diamètre de l'orbite terrestre.

Christiaan Huygens a utilisé cette estimation et l'a combinée avec une estimation du diamètre de l'orbite terrestre pour obtenir une estimation de 220 000 km / s. Isaac Newton a également parlé des calculs de Rømer dans son travail fondateur Opticks (1706). En ajustant la distance entre la Terre et le Soleil, il a calculé qu'il faudrait sept ou huit minutes à la lumière pour voyager de l'un à l'autre. Dans les deux cas, ils ont enregistré une marge relativement faible.

Des mesures ultérieures effectuées par les physiciens français Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) et Léon Foucault (1819 - 1868) ont affiné ces mesures - résultant en une valeur de 315 000 km / s (192 625 mi / s). Et dans la seconde moitié du 19e siècle, les scientifiques ont pris conscience du lien entre la lumière et l'électromagnétisme.

Cela a été accompli par des physiciens mesurant les charges électromagnétiques et électrostatiques, qui ont ensuite constaté que la valeur numérique était très proche de la vitesse de la lumière (telle que mesurée par Fizeau). Sur la base de ses propres travaux, qui ont montré que les ondes électromagnétiques se propagent dans un espace vide, le physicien allemand Wilhelm Eduard Weber a proposé que la lumière soit une onde électromagnétique.

La prochaine grande percée est survenue au début du 20e siècle / Dans son article de 1905, intitulé «Sur l'électrodynamique des corps en mouvement », Albert Einstein a affirmé que la vitesse de la lumière dans le vide, mesurée par un observateur non accélérateur, est la même dans tous les référentiels inertiels et indépendante du mouvement de la source ou de l'observateur.

En utilisant cela et le principe de relativité de Galileo comme base, Einstein a dérivé la théorie de la relativité restreinte, dans laquelle la vitesse de la lumière dans le vide (c) était une constante fondamentale. Avant cela, le consensus de travail parmi les scientifiques a estimé que l'espace était rempli d'un «éther luminifère» qui était responsable de sa propagation - c'est-à-dire que la lumière voyageant à travers un milieu en mouvement serait entraînée par le milieu.

Cela signifiait à son tour que la vitesse mesurée de la lumière serait une simple somme de sa vitesse par le moyen plus la vitesse de ce milieu. Cependant, la théorie d'Einstein a rendu le concept de l'éther stationnaire inutile et a révolutionné les concepts d'espace et de temps.

Non seulement il a avancé l'idée que la vitesse de la lumière est la même dans tous les cadres de référence inertiels, mais il a également introduit l'idée que des changements majeurs se produisent lorsque les choses se rapprochent de la vitesse de la lumière. Ceux-ci incluent le cadre spatio-temporel d'un corps en mouvement qui semble ralentir et se contracter dans la direction du mouvement lorsqu'il est mesuré dans le cadre de l'observateur (c'est-à-dire la dilatation du temps, où le temps ralentit à mesure que la vitesse de la lumière approche).

Ses observations concilient également les équations de Maxwell pour l'électricité et le magnétisme avec les lois de la mécanique, simplifient les calculs mathématiques en supprimant les explications étrangères utilisées par d'autres scientifiques et s'accordent avec la vitesse de la lumière directement observée.

Au cours de la seconde moitié du 20e siècle, des mesures de plus en plus précises utilisant des inféromètres laser et des techniques de résonance de cavité affineraient davantage les estimations de la vitesse de la lumière. En 1972, un groupe du US National Bureau of Standards à Boulder, Colorado, a utilisé la technique de l'inféromètre laser pour obtenir la valeur actuellement reconnue de 299 792 458 m / s.

Rôle en astrophysique moderne:

La théorie d'Einstein selon laquelle la vitesse de la lumière dans le vide est indépendante du mouvement de la source et du référentiel inertiel de l'observateur a depuis été constamment confirmée par de nombreuses expériences. Il fixe également une limite supérieure sur les vitesses auxquelles toutes les particules et les ondes sans masse (y compris la lumière) peuvent voyager dans le vide.

L'une des excroissances de cela est que les cosmologistes traitent désormais l'espace et le temps comme une structure unique et unifiée connue sous le nom d'espace-temps - dans laquelle la vitesse de la lumière peut être utilisée pour définir des valeurs pour les deux (c.-à-d. «Années-lumière», «minutes-lumière» et «Secondes-lumière»). La mesure de la vitesse de la lumière est également devenue un facteur majeur dans la détermination du taux d'expansion cosmique.

À partir des années 1920, avec des observations de Lemaitre et Hubble, les scientifiques et les astronomes ont pris conscience que l'Univers s'étend depuis un point d'origine. Hubble a également observé que plus une galaxie est éloignée, plus elle semble se déplacer rapidement. Dans ce qui est maintenant appelé le paramètre Hubble, la vitesse à laquelle l'Univers se développe est calculée à 68 km / s par mégaparsec.

Ce phénomène, qui a été théorisé comme signifiant que certaines galaxies pourraient en fait se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière, peut imposer une limite à ce qui est observable dans notre univers. Essentiellement, les galaxies se déplaçant plus rapidement que la vitesse de la lumière traverseraient un «horizon d'événements cosmologiques», où elles ne nous sont plus visibles.

De plus, dans les années 1990, les mesures du décalage vers le rouge des galaxies éloignées ont montré que l'expansion de l'Univers s'accélérait depuis quelques milliards d'années. Cela a conduit à des théories comme «Dark Energy», où une force invisible conduit l'expansion de l'espace lui-même au lieu d'objets qui s'y déplacent (donc ne pas imposer de contraintes sur la vitesse de la lumière ou violer la relativité).

Parallèlement à la relativité restreinte et générale, la valeur moderne de la vitesse de la lumière dans le vide a continué d'informer la cosmologie, la physique quantique et le modèle standard de la physique des particules. Il reste une constante lorsque l'on parle de la limite supérieure à laquelle les particules sans masse peuvent voyager, et reste une barrière impossible à atteindre pour les particules qui ont une masse.

Peut-être qu'un jour nous trouverons un moyen de dépasser la vitesse de la lumière. Bien que nous n'ayons aucune idée pratique de la façon dont cela pourrait se produire, l'argent intelligent semble être basé sur des technologies qui nous permettront de contourner les lois de l'espace-temps, soit en créant des bulles de distorsion (alias Alcubierre Warp Drive), soit en creusant des tunnels ( aka. trous de ver).

Jusque-là, nous devrons simplement être satisfaits de l'Univers que nous pouvons voir et nous en tenir à l'exploration de la partie de celui-ci qui est accessible en utilisant des méthodes conventionnelles.

Nous avons écrit de nombreux articles sur la vitesse de la lumière pour Space Magazine. Voici à quelle vitesse est la vitesse de la lumière?, Comment les galaxies s'éloignent-elles plus vite que la lumière?, Comment l'espace peut-il voyager plus vite que la vitesse de la lumière?, Et briser la vitesse de la lumière.

Voici une calculatrice sympa qui vous permet de convertir de nombreuses unités différentes pour la vitesse de la lumière, et voici une calculatrice de relativité, au cas où vous voudriez parcourir presque la vitesse de la lumière.

Astronomy Cast a également un épisode qui aborde des questions sur la vitesse de la lumière - Questions Show: Relativité, Relativité et plus de Relativité.

Sources: