On a réussi à dépasser la vitesse de la lumière

 

Des chercheurs ont réussi à transmettre des impulsions lumineuses à trois fois la vitesse de la lumière dans un fil. Et sans remettre en cause la théorie d'Einstein.

 

Comment faire : ce serait simple d'après cet article :

http://www.ulb.ac.be/inforsciences/printemps2004/files/math_phy1_scapp.pdf

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Voir sur l'article suivant comment on peut faire par la théorie :

http://www.umoncton.ca/sciences/physique/personnel/hachea/LRhache2.pdf

Des impulsions lumineuses qui se déplacent plus vite que la lumière : abus de

langage ou science-fiction? Ni l'un ni l'autre, le phénomène est bien réel. Il est

même très général : des impulsions électriques peuvent ainsi se propager plus

vite que la lumière, sur des centaines de mètres, et dans des fils plutôt ordinaires.

Et cela sans que la théorie de la relativité restreinte soit remise en cause.

L'expérience le prouve : la vitesse

d'une onde lumineuse (et d'une

onde électromagnétique en général)

est indépendante du mouvement

de la source et de l'observateur, contrairement

à celle d'une balle de fusil, par

exemple. La théorie de la relativité restreinte,

qui décrit ce phénomène, a été

proposée en 1905 par Albert Einstein

(voir l'encadré ci-contre). Une conséquence

directe est qu'aucun objet doté

d'une masse ne peut se déplacer plus

vite que la vitesse de la lumière dans

le vide (notée c, elle vaut à peu près

299 792 km/s) [1]. Imaginez que vous

puissiez accélérer une voiture à une

vitesse proche de c. Plus elle se rapproche

de celle-ci, plus l'énergie à fournir

croît, car votre masse et celle de

votre véhicule augmentent. Résultat,

la vitesse n'atteint jamais celle de la

lumière. Plus faciles à accélérer que

des voitures, les particules élémentaires

atteignent aujourd'hui dans les accélérateurs

géants jusqu'à 99,99 % de la

vitesse de la lumière. Mais elles restent

toujours en deçà de cette limite. Seules

les particules de masse rigoureusement

nulle y parviennent, tels les photons,

qui transportent la lumière.

Il est toutefois possible d'aller au-delà

de c. Au milieu du XXe siècle, les physiciens

Léon Brillouin et Arnold Sommerfeld

ont calculé que, dans certaines

conditions, une impulsion lumineuse

pourrait se déplacer plus vite que la

vitesse de la lumière[2]. L'onde deviendrait

alors " supraluminique ".

Contrairement aux apparences, il n'y a

pas là de contradiction avec la théorie

et la vitesse de groupe (ou vitesse de l'impulsion)

[fig. 1]. Dans le phénomène

supraluminique prédit par Brillouin et

Sommerfeld, seule la vitesse de groupe

excède c. Elle coïncide avec la vitesse

de l'information uniquement dans des

milieux où la dispersion est " normale "

comme le vide, l'air ou le verre. Or, la

propagation supraluminique est spécifique

des milieux dits à " dispersion anormale

", dont l'indice de réfraction*

décroît à mesure que la fréquence de

l'onde augmente (voir l'encadré " Indice

de réfraction et dispersion ", ci-dessous).

Et dans ces milieux, les vitesses de phase,

de groupe, d'énergie et d'information

sont différentes.

Bien que l'on connaisse depuis longtemps

des milieux à dispersion anormale

– par exemple un gaz formé

d'atomes individuels, à une fréquence

proche d'une fréquence absorbée par

les atomes – la première confirmation

expérimentale de la prédiction de

Brillouin et Sommerfeld n'est venue

que dans les années quatre-vingt. Il faut

dire que l'effet était difficile à démontrer

car il ne se manifeste qu'avec des

impulsions lumineuses brèves. Sa mise

en évidence nécessitait donc des techniques

de mesures sophistiquées. En

1982 donc, Steven Chu (qui a reçu le

prix Nobel de physique en 1997 pour

d'autres travaux) et ses collègues des

Bell Laboratories observèrent une

impulsion laser visible voyageant plus

vite que la lumière dans un cristal de

phosphure de gallium d'une épaisseur

de 100 micromètres [3].

 

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Rappels sur la vitesse de la lumière :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Vitesse_de_la_lumi%C3%A8r

Vitesse de la lumière

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

 
 
 
 
 
 
 
 

Feynman - EQR

 

Techniques

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Liens physique

Formulaire

La vitesse de la lumière (299 792 458 m/s) est une constante physique dont une valeur précise est obtenue expérimentalement dès le XVIIe siècle par l'astronome danois Ole Christensen Rømer : en 1676, il propose une solution à un problème rencontré par Cassini, qui observe un retard de quinze minutes dans l'occultation prédite d'Io, un satellite de Jupiter. Rømer attribue ce retard à un allongement de la distance Terre-Io de l'ordre de quelques 75 millions de kilomètres, une distance suffisante pour influencer de façon notable le parcours de la lumière. La vitesse de la lumière fut alors estimée à 200 000 kilomètres par seconde, environ 35% en dessous de sa vraie valeur du fait des incertitudes de l'époque sur la taille de l'orbite de la Terre. Cependant, Cassini émis des doutes sur la validité des résultats de son collègue. James Bradley proposa ensuite une estimation à 300 000 km/s. Ces premiers essais expérimentaux reposaient en outre sur l'étalon-mètre, une source d'erreur supplémentaire. Plus tard, la problématique sera inversée lorsque le mètre sera défini à partir de la célérité c (vitesse de la lumière dans le vide), ce qui ne fut possible que lorsqu'une précision suffisante dans la détermination de c eut été atteinte. Aujourd'hui, la vitesse de la lumière constitue l'un des piliers de la physique théorique contemporaine.

Sommaire

[masquer]

 

La vitesse de la lumière dans le vide

D'après les théories de la physique moderne, et notamment les équations de Maxwell, la lumière visible et toutes les ondes électromagnétiques ont une vitesse constante dans le vide, la vitesse de la lumière.

On la considère donc comme une constante physique notée c (du latin celeritas, " vitesse "). Mais elle n'est pas seulement constante (pense-t-on) en tous les endroits (et à tous les âges) de l'univers (principes cosmologiques faible et fort, respectivement) ; elle l'est également d'un repère inertiel à un autre (principe d'équivalence restreint). En d'autres termes : quel que soit le repère inertiel de référence d'un observateur ou la vitesse de l'objet émettant la lumière, tout observateur obtiendra la même mesure.

Aucun objet matériel ni aucun signal ne peut voyager plus vite que c dans le cadre des théories existantes. Seuls peuvent " voyager " plus vite que c (à vitesse dite supraluminique) des fronts virtuels (l'ombre portée à grande distance d'un objet en rotation, par exemple), et on ne peut, bien entendu, pas s'en servir pour transmettre un signal, ni de l'énergie. Ce ne sont en fait même pas des objets à proprement parler.

L'expérience d'Alain Aspect montre qu'un observateur peut être informé instantanément, par une mesure sur une particule proche, de l'état d'une particule lointaine, mais il n'y a pas là non plus de réelle transmission de signal.

La vitesse de la lumière dans le vide est notée c :

c = 299 792 458 mètres par seconde

Cette valeur est " exacte " par définition. En effet, depuis 1983, le mètre est défini à partir de la vitesse de la lumière dans le vide dans le système international d'unités [1], comme étant la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299792458 de seconde. Ce qui fait que le mètre est aujourd'hui défini par la seconde, via la vitesse fixée pour la lumière.

 

Interaction de la lumière avec la matière

  • la vitesse de la lumière est toujours inférieure à c dans un milieu qui contient de la matière, cela d'autant plus que la matière est plus dense ;
  • dans un milieu dit biréfringent, la vitesse de la lumière dépend aussi de son plan de polarisation ;
  • la différence de vitesse de propagation de la lumière dans des milieux différents est à l'origine du phénomène de réfraction.

Cependant, la vitesse de la lumière, sans autre précision, s'entend généralement pour la vitesse de la lumière dans le vide. À noter que si aucun objet ne peut dépasser la vitesse de la lumière dans le vide dans quelque milieu que ce soit, dépasser la vitesse de la lumière dans le même milieu est possible: par exemple dans l'eau les neutrinos peuvent aller plus vite que la lumière.

 

Pourquoi est-ce la plus grande vitesse possible ?

de vitesses relativiste. Les vitesses sont exprimées en prenant pour unité la vitesse de la lumière.

La vitesse de la lumière n'est pas une vitesse limite au sens conventionnel. Nous avons l'habitude d'additionner des vitesses, par exemple nous estimerons normal que deux voitures roulant à 60 kilomètres à l'heure en sens opposés se voient l'une et l'autre comme se rapprochant à une vitesse de 60 km/h + 60 km/h = 120 km/h. Et cette formule approchée est parfaitement légitime pour des vitesses de cet ordre (60 km/h = 16,67 m/s).

Mais, lorsque l'une des vitesses est proche de celle de la lumière, un tel calcul classique s'écarte trop des résultats observés ; en effet, dès la fin du XIXe siècle, diverses expériences (notamment, celle de Michelson) et observations laissaient apparaître une vitesse de la lumière dans le vide identique dans tous les repères inertiels.

Minkowski, Lorentz, Poincaré et Einstein introduisirent cette question dans la théorie galiléenne, et s'aperçurent de la nécessité de remplacer un principe implicite et inexact par un autre compatible avec les observations :

  • il fallait renoncer à l'additivité des vitesses (admise par Galilée sans démonstration) pour la lumière ;
  • introduire un nouveau concept, la constance de c (constaté par l'expérience).

des compositions de vitesses. Le côté asymptotique de la vitesse c (ici : 1) apparaît nettement.

Après mise en forme calculatoire, il se dégagea que la nouvelle formule de composition comportait un terme correctif en 1/(1+vw/c²), de l'ordre de 2,7×10-10 seulement à la vitesse du son.

L' effet devient plus visible lorsque les vitesses dépassent c/10, et spectaculaire à mesure que v/c se rapproche de 1 : deux vaisseaux spatiaux voyageant l'un vers l'autre à la vitesse de 0,8×c (par rapport à un observateur entre les deux), ne percevront pas une vitesse d'approche (ou vitesse relative) égale à 1,6×c, mais seulement 0,96×c en réalité (voir tableau ci-contre).

Ce résultat est donné par la transformation de Lorentz :

u = {v + w over 1 + v w / c^2}

v et w sont les vitesses des vaisseaux spatiaux, et u la vitesse perçue d'un vaisseau depuis l'autre.

Ainsi, quelle que soit la vitesse à laquelle se déplace un objet par rapport à un autre, chacun mesurera la vitesse de l'impulsion lumineuse reçue comme ayant la même valeur : la vitesse de la lumière ; par contre, la fréquence d'un rayonnement électromagnétique transmis entre deux objets en déplacement relatif sera modifiée par effet Doppler-Fizeau.

Albert Einstein unifia les travaux de ses trois collègues en une théorie de la relativité homogène, appliquant ces étranges conséquences à la mécanique classique. Les confirmations expérimentales de la théorie de la relativité furent au rendez-vous, à la précision des mesures de l'époque près.

Dans le cadre de la théorie de la relativité, les particules sont classées en trois groupes :

  • les baryons, particules de masse au repos réelle et positive, se déplacent à des vitesses inférieures à c ;
  • les luxons, particules de masse au repos nulle, se déplacent uniquement à la vitesse c dans le vide ;
  • les tachyons, hypothétiques particules de masse au repos imaginaire, se déplaceraient à des vitesses supérieures à c ; la plupart des physiciens considèrent que ces particules n'existent pas (pour des raisons de causalité), bien que la question ne soit toujours pas close.

Les masses au repos combinées avec le facteur multiplicatif gamma = 1 / sqrt{1 - v^2/c^2}donnent une énergie réelle pour chacun des groupes définis précédemment .

 

Voir aussi

 

Bibliographie

  • M. Tompkins, ouvrage de vulgarisation du physicien George Gamow. Dans l'un des chapitres, la vitesse de la lumière est ramenée à 30 km/h environ et l'auteur en décrit les effets sur la circulation urbaine.

 

Articles connexes

 

Liens externes

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Théories d'une vitesse de lumière variable

http://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9ories_d%27une_vitesse_de_lumi%C3%A8re_variable

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

Dans les années 2000, les théories de vitesse de la lumière variable ont été popularisées par des scientifiques portugais et anglais (Joao Magueijo and John D Barrow). Il y a au moins, trois usages ou rôles de la vitesse de la lumière en physique :

L'élaboration d'une telle théorie tente de montrer de façon cohérente lesquelles de ces trois valeurs de la vitesse de la lumière sont modifiées, et quelles sont les répercussions sur les théories sous-jacentes. Une telle théorie pourrait permettre, d'après leurs concepteurs, de résoudre le problème de l'énergie sombre.

Albrecht and Magueijo; "A time varying speed of light as a solution to cosmological puzzles" [1]

Il existe des théories scientifiques nouvelles où l'un des rôles physiques de la vitesse de la lumière est différent des autres. Les équations de base de ces aspects de la physique sont redérivées de façon auto-cohérente et sont en train d'être développées, mais sont très complexes. [2]

 

Liens internes [modifier]

 

Références bibliographiques [modifier]

 

 

 

 



18/07/2007
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