Claque des doigts! Dans le temps qu'il a fallu pour le faire, un faisceau lumineux a pu voyager presque jusqu'à la lune. Si vous claquez des doigts une fois de plus, vous laisserez au faisceau le temps de terminer le voyage. Le fait est que la lumière voyage vraiment très vite.
La lumière voyage vite, mais sa vitesse n'est pas infinie, comme on le croyait avant le XVIIe siècle. La vitesse est cependant trop rapide pour être mesurée à l'aide de lampes, d'explosions ou d'autres moyens qui dépendent de l'acuité visuelle humaine et du temps de réaction humain. Demandez à Galilée.
Expériences lumineuses
Galilée a conçu une expérience en 1638 qui utilisait des lanternes, et la meilleure conclusion qu'il a pu tirer était que la lumière est "extraordinairement rapide" (en d'autres termes, vraiment, vraiment rapide). Il n'a pas été en mesure de trouver un chiffre, s'il a même tenté l'expérience. Il a cependant osé dire qu'il croyait que la lumière voyageait au moins 10 fois plus vite que le son. En fait, c'est plutôt un million de fois plus rapide.
La première mesure réussie de la vitesse de la lumière, que les physiciens représentent universellement par un c minuscule, a été réalisée par Ole Roemer en 1676. Il a basé ses mesures sur des observations des lunes de Jupiter. Depuis lors, les physiciens ont utilisé des observations des étoiles, des roues dentées, des miroirs tournants, des interféromètres radio, des résonateurs à cavité et des lasers pour affiner la mesure. Ils savent maintenantcavec une telle précision que le Conseil général des poids et mesures a basé le mètre, qui est l'unité de longueur fondamentale dans le système SI, dessus.
La vitesse de la lumière est une constante universelle, il n'y a donc pas de formule de vitesse de la lumière,en soi. En fait, sicétaient différents, toutes nos mesures devraient changer, car le compteur est basé sur cela. La lumière a cependant des caractéristiques d'onde, qui incluent la fréquenceνet longueur d'ondeλ, et vous pouvez les relier à la vitesse de la lumière avec cette équation, que vous pourriez appeler l'équation de la vitesse de la lumière :
c=\nu \lambda
Mesurer la vitesse de la lumière à partir d'observations astronomiques
Roemer a été la première personne à proposer un nombre pour la vitesse de la lumière. Il l'a fait en observant les éclipses des lunes de Jupiter, en particulier Io. Il regardait Io disparaître derrière la planète géante, puis chronométrait le temps qu'il lui fallait pour réapparaître. Il a estimé que ce temps pouvait différer jusqu'à 1 000 secondes, selon la proximité de Jupiter avec la Terre. Il a proposé une valeur pour la vitesse de la lumière de 214 000 km/s, ce qui est du même ordre de grandeur que la valeur moderne de près de 300 000 km/s.
En 1728, l'astronome anglais James Bradley calcula la vitesse de la lumière en observant les aberrations stellaires, c'est-à-dire leur changement apparent de position dû au mouvement de la terre autour du soleil. En mesurant l'angle de ce changement et en soustrayant la vitesse de la terre, qu'il pouvait calculer à partir des données connues à l'époque, Bradley a obtenu un nombre beaucoup plus précis. Il a calculé que la vitesse de la lumière dans le vide était de 301 000 km/s.
Comparer la vitesse de la lumière dans l'air à la vitesse dans l'eau
La personne suivante à mesurer la vitesse de la lumière était le philosophe français Armand Hippolyte Fizeau, et il ne s'est pas appuyé sur des observations astronomiques. Au lieu de cela, il a construit un appareil composé d'un séparateur de faisceau, d'une roue dentée rotative et d'un miroir placé à 8 km de la source lumineuse. Il pouvait régler la vitesse de rotation de la roue pour laisser passer un faisceau lumineux vers le miroir mais bloquer le faisceau de retour. Son calcul dec, qu'il publia en 1849, était de 315 000 km/s, ce qui n'était pas aussi précis que celui de Bradley.
Un an plus tard, Léon Foucault, un physicien français, a amélioré l'expérience de Fizeau en substituant un miroir rotatif à la roue dentée. La valeur de Foucault pour c était de 298 000 km/s, ce qui était plus précis, et dans le processus, Foucault a fait une découverte importante. En insérant un tube d'eau entre le miroir rotatif et le miroir fixe, il a déterminé que la vitesse de la lumière dans l'air est supérieure à la vitesse dans l'eau. Ceci était contraire à ce que la théorie corpusculaire de la lumière avait prédit et aidé à établir que la lumière est une onde.
En 1881, A. UNE. Michelson a amélioré les mesures de Foucault en construisant un interféromètre, qui a pu comparer les phases du faisceau d'origine et du faisceau de retour et afficher une figure d'interférence sur un écran. Son résultat était de 299 853 km/s.
Michelson avait développé l'interféromètre pour détecter la présence deéther, une substance fantomatique à travers laquelle on pensait que les ondes lumineuses se propageaient. Son expérience, menée avec le physicien Edward Morley, a été un échec, et elle a conduit Einstein à conclure que la vitesse de la lumière est une constante universelle qui est la même dans tous les référentiels. C'était le fondement de la théorie de la relativité restreinte.
Utiliser l'équation de la vitesse de la lumière
La valeur de Michelson était la valeur acceptée jusqu'à ce qu'il l'améliore lui-même en 1926. Depuis lors, la valeur a été affinée par un certain nombre de chercheurs utilisant diverses techniques. L'une de ces techniques est la méthode du résonateur à cavité, qui utilise un dispositif qui génère du courant électrique. C'est une méthode valable car, suite à la publication des équations de Maxwell au milieu des années 1800, les physiciens ont été d'accord sur le fait que la lumière et l'électricité sont toutes deux des phénomènes d'ondes électromagnétiques, et les deux voyagent en même temps la vitesse.
En fait, après que Maxwell a publié ses équations, il est devenu possible de mesurer indirectement c en comparant la perméabilité magnétique et la perméabilité électrique de l'espace libre. Deux chercheurs, Rosa et Dorsey, l'ont fait en 1907 et ont calculé la vitesse de la lumière à 299 788 km/s.
En 1950, les physiciens britanniques Louis Essen et A.C. Gordon-Smith ont utilisé un résonateur à cavité pour calculer la vitesse de la lumière en mesurant sa longueur d'onde et sa fréquence. La vitesse de la lumière est égale à la distance parcourue par la lumièrerédivisé par le temps qu'il fautc'est: c = d/∆t. Considérez que le temps pour une seule longueur d'ondeλpasser un point est la période de la forme d'onde, qui est l'inverse de la fréquencev, et vous obtenez la formule de la vitesse de la lumière :
c=\nu \lambda
L'appareil utilisé par Essen et Gordon-Smith est connu sous le nom deondemètre à résonance à cavité. Il génère un courant électrique d'une fréquence connue, et ils ont pu calculer la longueur d'onde en mesurant les dimensions de l'ondemètre. Leurs calculs ont donné 299 792 km/s, ce qui était la détermination la plus précise à ce jour.
Une méthode de mesure moderne utilisant des lasers
Une technique de mesure contemporaine ressuscite la méthode de division de faisceau utilisée par Fizeau et Foucault, mais utilise des lasers pour améliorer la précision. Dans cette méthode, un faisceau laser pulsé est divisé. Un faisceau se dirige vers un détecteur tandis qu'un autre se déplace perpendiculairement à un miroir placé à une courte distance. Le miroir renvoie le faisceau vers un deuxième miroir qui le dévie vers un deuxième détecteur. Les deux détecteurs sont reliés à un oscilloscope qui enregistre la fréquence des impulsions.
Les pics des impulsions de l'oscilloscope sont séparés car le deuxième faisceau parcourt une plus grande distance que le premier. En mesurant la séparation des pics et la distance entre les miroirs, il est possible de dériver la vitesse du faisceau lumineux. C'est une technique simple, et elle donne des résultats assez précis. Un chercheur de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud en Australie a enregistré une valeur de 300 000 km/s.
Mesurer la vitesse de la lumière n'a plus de sens
Le bâton de mesure utilisé par la communauté scientifique est le mètre. Il a été défini à l'origine pour être un dix millionième de la distance de l'équateur au pôle Nord, et le la définition a ensuite été modifiée pour être un certain nombre de longueurs d'onde de l'une des raies d'émission du krypton-86. En 1983, le Conseil général des poids et mesures a supprimé ces définitions et adopté celle-ci :
lemètreest la distance parcourue par un faisceau de lumière dans le vide en 1/299 792 458 de seconde, la seconde étant basée sur la désintégration radioactive de l'atome de césium-133.
Définir le mètre en termes de vitesse de la lumière fixe essentiellement la vitesse de la lumière à 299 792 458 m/s. Si une expérience donne un résultat différent, cela signifie simplement que l'appareil est défectueux. Plutôt que de mener plus d'expériences pour mesurer la vitesse de la lumière, les scientifiques utilisent la vitesse de la lumière pour calibrer leur équipement.
Utiliser la vitesse de la lumière pour calibrer l'appareil expérimental
La vitesse de la lumière apparaît dans une variété de contextes en physique, et il est techniquement possible de la calculer à partir d'autres données mesurées. Par exemple, Planck a démontré que l'énergie d'un quantum, comme un photon, est égale à sa fréquence multipliée par la constante de Planck (h), qui est égale à 6,6262 x 10-34 Joule⋅seconde. Puisque la fréquence estc/λ, l'équation de Planck peut s'écrire en termes de longueur d'onde :
E=h\nu = \frac{hc}{\lambda}\implique c=\frac{E\lambda}{h}
En bombardant une plaque photoélectrique avec une lumière d'une longueur d'onde connue et en mesurant l'énergie des électrons éjectés, il est possible d'obtenir une valeur pourc. Ce type de calculateur de vitesse de la lumière n'est cependant pas nécessaire pour mesurer c, carcestdéfiniêtre ce qu'il est. Cependant, il pourrait être utilisé pour tester l'appareil. SiEλ/hn'est pas c, quelque chose ne va pas avec les mesures de l'énergie des électrons ou de la longueur d'onde de la lumière incidente.
La vitesse de la lumière dans le vide est une constante universelle
Il est logique de définir le mètre en termes de vitesse de la lumière dans le vide, car c'est la constante la plus fondamentale de l'univers. Einstein a montré que c'est le même pour chaque point de référence, quel que soit le mouvement, et c'est aussi le plus rapide que tout ce qui puisse voyager dans l'univers - du moins, tout ce qui a une masse. L'équation d'Einstein, et l'une des équations les plus célèbres de la physique,E = mc2, fournit l'indice de pourquoi il en est ainsi.
Dans sa forme la plus reconnaissable, l'équation d'Einstein ne s'applique qu'aux corps au repos. L'équation générale comprend cependant laFacteur de Lorentz γ, où
\gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}
Pour un corps en mouvement avec une massemet la vitessev, l'équation d'Einstein doit être écriteE = mc2γ. Quand vous regardez ceci, vous pouvez voir que lorsquev = 0, γ= 1 et vous obtenezE=mc2.
Cependant, quandv = c,devient infini, et la conclusion que vous devez en tirer est qu'il faudrait une quantité infinie d'énergie pour accélérer une masse finie à cette vitesse. Une autre façon de voir les choses est que la masse devient infinie à la vitesse de la lumière.
La définition actuelle du mètre fait de la vitesse de la lumière la norme pour les mesures terrestres de distance, mais elle a longtemps été utilisée pour mesurer les distances dans l'espace. Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en une année terrestre, soit 9,46 × 1015 m.
Ce nombre de mètres est trop grand pour être compris, mais une année-lumière est facile à comprendre, et parce que la vitesse de la lumière est constante dans tous les référentiels inertiels, c'est une unité de distance fiable. Il est rendu légèrement moins fiable en étant basé sur l'année, qui est une période qui n'aurait aucune pertinence pour quiconque venant d'une autre planète.