La vitesse de la lumière

Introduction au dossier thématique sur la vitesse de la lumière

Mathilde Glénat

Gabrielle Bonnet

École Normale Supérieure de Lyon

Mathilde Glénat

26 - 04 - 2012

Résumé

Cet article est une introduction au dossier consacré à la vitesse de la lumière. Il présente les différentes questions qui sont ensuite développées dans les articles du dossier : l’évolution historique : des premières mesures de la vitesse de la lumière à sa valeur qui définit le mètre ; le lien avec l’électromagnétisme et la signification physique de l'indice de réfraction ; la relativité restreinte et la vitesse de la lumière comme limite absolue des vitesses des objets matériels ; le paradoxe de l’effet Cherenkov ; l’illusion des vitesses superluminiques en astronomie.


Première version de l'article : 12 - 09 - 2003

La propagation de la lumière joue un rôle essentiel dans différents domaines de la physique : en optique, électromagnétisme, relativité, métrologie, astronomie… La compréhension des ondes lumineuses et la mesure de la vitesse de propagation ont fortement progressé au cours des siècles. Actuellement la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide est une constante fondamentale qui fascine : elle apparaît comme une limite théoriquement infranchissable.

Quand on s’en approche, la physique usuelle laisse la place à la relativité restreinte qui défie l’intuition par le mélange des notions de temps et d'espace. La relativité générale, qui inclut en outre la gravitation, est à la base de la cosmologie moderne, de la prédiction des « trous noirs » et du modèle du « big-bang ».

On a récemment obtenu des résultats montrant que la vitesse du neutrino pourrait être supérieure à la vitesse de la lumière d’environ 7km/s. Les résultats sont déduits de la mesure précise de la durée du trajet des neutrinos entre le CERN à Genève et Gran Sasso en Italie séparé par une distance de 730 km : la durée de 2,4 ms mesurée est de 60 ns inférieure au temps de trajet prévu à la vitesse de la lumière.

Ces résultats publiés en septembre 2011 ont eu un grand retentissement. Pour en savoir plus, le communiqué de presse de l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon ou du CNRS.

Des équipes scientifiques du monde entier ont travaillé pour valider ou infirmer ces résultats expérimentaux. Des théoriciens ont déjà imaginé comment revoir les fondements de relativité ou de la physique des particules pour admettre ce dépassement.

Très récemment les nouvelles mesures et vérifications ont identifié de possibles effets susceptibles d’avoir une influence sur la détermination du temps de parcours des neutrinos

Différents phénomènes physiques impliquant la propagation de la lumière et l’importance théorique de sa vitesse de propagation sont résumés dans la présentation générale qui suit. On y introduit successivement chacun des cinq articles du dossier, avec le sommaire et une indication de leur niveau de difficulté. Ils sont indépendants et peuvent être abordés dans un ordre quelconque.

Niveau de cet article : tous publics.

Extraits : « Galilée, au début du XVIIième siècle, fut un des premiers à penser que la lumière se propageait à vitesse finie. Il a tenté de mesurer cette vitesse en plaçant deux personnes éloignées de quelques kilomètres et munies d'horloges. Le temps mis par la lumière pour parcourir cette distance est de l'ordre de 10-5s seulement, durée impossible à mesurer à l'époque, son expérience n'a donc pas été concluante.

Depuis Galilée, des mesures de plus en plus précises ont été effectuées. En 1983, cependant, le point de vue a changé : au lieu de définir précisément le mètre et la seconde et de mesurer la vitesse de la lumière en utilisant ces définitions, la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide est désormais fixée par convention. Elle vaut, par définition, c = 299.792.458 m.s-1. Cette donnée, ajoutée à la définition actuelle de la seconde, sert à définir le mètre. »

Sommaire de l'article « Historique : de Galilée à nos jours, évolution de la notion de vitesse de la lumière » :

  • Introduction
  • Chronologie de la seconde, du mètre et de la vitesse de la lumière
  • Pourquoi cette « course à la précision » ?
  • Constance de la vitesse de la lumière

Lire l'article : « Historique : de Galilée à nos jours, évolution de la notion de vitesse de la lumière ».

Niveau de cet article : ce sont des rappels de notions de niveau Licence. La maîtrise des outils mathématiques correspondants ainsi que, de préférence, quelques souvenirs de physique de Licence, sont souhaîtés.

Résumé : À partir des équations de Maxwell dans le vide et dans un milieu matériel, on dérive les formules de l'indice optique n puis on décrit la signification physique de la partie réelle et de la partie imaginaire de n. Enfin, pour quelques milieux particuliers, on détermine des expressions approchées de n.

Sommaire de l'article « Indices optiques : dérivation à partir des équations de Maxwell, signification physique, expression » :

  • Indices optiques : dérivation à partir des équations de Maxwell
  • Signification physique de l'indice n(ω)
  • Valeur de l'indice d'un milieu

Lire l'article : « Indices optiques : dérivation à partir des équations de Maxwell, signification physique, expression ».

Niveau de cet article : très abordable avec des connaissances de base du niveau lycée.

Résumé : Présentation de la relativité restreinte : historique, cadre théorique, conséquences et paradoxes dont le célèbre « paradoxe des jumeaux ». Présentation brève de la relativité générale, en particulier de quelques changements par rapport à la relativité restreinte.

Sommaire de l'article « Relativité et vitesse de la lumière » :

  • Introduction : relativité restreinte et relativité générale
  • La relativité restreinte
  • Et la relativité générale ?

Lire l'article : « Relativité et vitesse de la lumière ».

Niveau de cet article : très abordable avec des connaissances de base du niveau lycée.

Résumé : Cet article décrit et explique l’effet Cherenkov, un phénomène apparemment paradoxal puisqu’il est observé quand la vitesse d’une particule chargée relativiste devient égale ou supérieure à la vitesse de la lumière.

Sommaire de l'article « Plus vite que la lumière : effet Cherenkov » :

  • Introduction : qu'est ce que l'effet Cherenkov
  • Cas d'une particule immobile
  • Particule se déplaçant à une vitesse v inférieure à celle de la lumière dans ce milieu
  • Particule se déplaçant à une vitesse v égale à celle de la lumière dans ce milieu
  • Particule se déplaçant à une vitesse v supérieure à celle de la lumière dans ce milieu (mais toujours inférieure à c)
  • Conclusion

Lire l'article : « Plus vite que la lumière : effet Cherenkov ».

Niveau de cet article : très abordable avec des connaissances de base du niveau lycée.

Résumé : Cet article montre comment la vitesse transverse apparente de déplacement d’un objet lointain peut apparaître supérieure à la vitesse de la lumière. Comme exemple, on détaille l’observation d’un jet relativiste issu de la galaxie active géante M87.

Sommaire de l'article « Vitesse superluminique en astronomie » :

  • Les astronomes semblent voir des objets (jets de plasma, etc...) se déplacer plus vite que la lumière !
  • Exemple d'observation de jets cosmologiques avec des vitesses apparentes superluminiques
  • Conclusion

Lire l'article : « Vitesse superluminique en astronomie ».

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