La vitesse de la lumière est l’une des constantes fondamentales qui caractérisent littéralement tout ce qui nous entoure – l’espace et le temps. C’est cette quantité qui divise en avant et en après, en cause et en effet, et qui impose une foule de limitations intéressantes aux possibilités de l’univers tel que nous le connaissons.
Les données et exemples suivants ne sont pas censés être scientifiquement exacts, mais visent à expliquer les faits fondamentaux et les plus intéressants concernant la vitesse de la lumière dans un langage aussi simple que possible.
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Quelle est la vitesse de la lumière et comment a-t-elle été mesurée ?
Il est intéressant de noter que la vitesse de la lumière était considérée comme infinie jusqu’à la seconde moitié du 17e siècle, et c’est ainsi que de grands scientifiques comme Johannes Kepler ou René Descartes, par exemple, la percevaient. Ce n’est qu’en 1676 que l’astronome danois Olaf Remer, qui a observé des éclipses de la lune de Jupiter Io, a remarqué qu’elles ne coïncidaient pas avec l’heure calculée et que cet écart dépendait de la distance entre l’événement et l’observateur. Compte tenu de la position de la Terre dans son orbite autour de Jupiter, Remer a calculé que la vitesse de la lumière était de 220 000 km/s (une erreur de ~80 000 km/s).
Au début du XIXe siècle, les scientifiques ont mesuré la vitesse de la lumière à l’aide de la pratique “méthode intermittente” et, en 1950, ils étaient parvenus à un résultat de 299 793,1 km/s avec une précision de 0,25 km/s. L’invention du laser a depuis lors repoussé la limite de précision et enregistré la vitesse de la lumière à 299 792 458 m/s avec une précision de 1,2 m/s.
L’affinement de l’une des grandeurs de base de la théorie de la relativité est devenu impossible parce qu’il n’y avait pas de définition précise du mètre – à l’époque, c’était la longueur d’un bâton en métal, qui servait de référence et était conservé à Paris. La question n’a été levée qu’en 1983, lorsque la Conférence générale des poids et mesures a redéfini le mètre comme la distance parcourue par la lumière en 1/299 792 458 secondes. En conséquence, la vitesse de la lumière est officiellement devenue 299 792 458 mètres par seconde (ou approximativement : 300 000 km/s).
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Quelle est la nature fondamentale de la vitesse de la lumière ?
En fait, la science moderne ne connaît que quelques constantes fondamentales objectives qui restent inchangées dans toutes les conditions. La vitesse de la lumière ne dépend pas de l’observateur, de la façon dont elle est mesurée ou du temps – elle est vraiment constante.
Pour prouver le contraire, vous pouvez, par exemple, faire passer un faisceau de lumière dans un milieu inhomogène complexe et il y passera sensiblement plus lentement que dans le vide. Cependant, un examen plus approfondi des conditions de l’expérience révèle que les photons voyageaient à la même vitesse de la lumière, mais sur une trajectoire plus complexe.
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Pourquoi rien ne peut battre la vitesse de la lumière ?
Si vous créez ou découvrez un objet qui a une masse différente de zéro ou qui a la propriété d’interagir avec d’autres particules d’une manière ou d’une autre, vous aurez inventé une machine à remonter le temps. Pourtant, rien de tel n’a jamais été vu dans le monde tel que nous le connaissons. En simplifiant le langage scientifique, nous décrivons la situation comme suit :
Imaginez les événements X et Y, l’événement X étant la cause de l’événement Y et Y étant la conséquence de l’événement X. Par exemple, l’événement X est une explosion de supernova dans une galaxie lointaine, et Y est l’enregistrement de ses particules par les astronomes sur Terre. Si la distance entre X et Y est supérieure au temps qui les sépare (T) multiplié par la vitesse de la lumière (C), nous obtenons trois résultats différents dans des cadres de référence différents :
1. L’événement X s’est produit avant l’événement Y ;
2. L’événement Y s’est produit avant l’événement X ;
3. Les événements X et Y se sont produits au même moment.
Évidemment, les deux dernières options ne sont guère possibles au regard de la science moderne, ce qui signifie que rien ne peut se déplacer ou transmettre des informations plus vite que la vitesse de la lumière.
Mais que dire de la situation suivante : vous prenez une torche très puissante, vous la pointez vers Mars et vous déplacez votre doigt dans le faisceau lumineux – si vous le faites assez vite, l’ombre de votre doigt « court » sur la surface de Mars plus vite que la vitesse de la lumière, ce qui réfute notre théorie.
En fait, non. Déplacer une ombre ne peut être considéré comme déplacer un objet ayant une masse, tout comme l’ombre elle-même n’interagit avec rien, mais est simplement l’absence de lumière. Les photons de votre torche, en revanche, atteindront Mars à la vitesse connue de 299 792 458 mètres par seconde.
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Vitesse proche de la lumière
Selon les postulats de la théorie générale de la relativité, plus on accélère une particule d’une certaine masse, plus il faut d’énergie pour le faire. En se rapprochant de la vitesse de la lumière, cette énergie tendra vers l’infini.
Toutefois, cela ne signifie pas que la lumière est plus rapide que tout ce qui existe dans l’univers. Par exemple, les scientifiques du CERN ont accéléré des protons dans le Grand collisionneur de hadrons à 299 792 455 m/s, soit 3 m/s seulement de plus que les photons de lumière en apesanteur.
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Vitesse FTL
Les restrictions décrites ci-dessus, que la physique moderne impose aux vitesses dans l’univers, ne s’appliquent pas aux particules qui n’ont pas de masse, n’interagissent pas avec les particules ordinaires et peuvent voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Ces particules sont communément appelées tachyons et leur existence n’est actuellement qu’une hypothèse (il est difficile de concevoir un outil efficace pour les détecter, car elles n’interagissent avec rien).
Un autre exemple populaire de FTL est le phénomène de la mécanique quantique. Dès que vous mettez une chaussette sur votre pied droit, l’autre chaussette devient instantanément et automatiquement la chaussette gauche, quelle que soit la distance qui les sépare. C’est en gros le principe qui sous-tend l’intrication quantique dans les mesures du spin des photons, où aucune information n’est transférée, mais où, en fait, un état passe à un autre sans interaction directe entre les objets.
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La vitesse de la lumière clairement
Dans la plupart des cas, les astrophysiciens ne sont pas en mesure de réaliser des expériences en grandeur réelle dans des laboratoires, comme les biologistes ou les chimistes, par exemple, en raison de l’échelle des processus étudiés. Le plus grand terrain d’essai dont dispose tout astronome est l’ensemble de l’Univers observable, avec ses quasars, ses pulsars radio, ses trous noirs et autres objets curieux.
De nos jours, cependant, les découvertes astrophysiques les plus intéressantes ressemblent à des graphiques complexes mal compris, et le public doit se contenter d’images traitées par quelques instruments seulement, comme le télescope Hubble. Néanmoins, la science officielle est désormais consciente de l’importance des activités médiatiques et s’efforce de visualiser pour le commun des mortels des processus qui ne peuvent être simplement visualisés dans la tête.
James O’Donoghue de la NASA, par exemple, a démontré la vitesse de la lumière par rapport à notre planète (en éliminant l’influence de l’atmosphère de ses calculs) – un faisceau lumineux a fait 7,5 fois le tour de la Terre en une seconde, parcourant plus de 40 000 kilomètres à chaque fois.
La distance jusqu’à la Lune est d’environ 384 000 kilomètres (selon la position actuelle des objets) et les photons auront déjà besoin de 1,22 seconde pour parcourir cette distance.
Pour transmettre des données de Mars à la Terre à la vitesse de la lumière au moment de la proximité planétaire maximale, il faut attendre plus de six minutes, et à distance moyenne, le temps d’attente peut atteindre une demi-heure.
La distance moyenne entre nous et la planète rouge est de 254 millions de km. La sonde New Horizons, par exemple, s’est déjà éloignée de la Terre de 6,64 milliards de km et, pour atteindre la planète la plus proche du système non solaire, elle doit parcourir une distance de 39,7 billions de km.
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