Demandez à Ethan: Pourquoi la vitesse de la lumière est-elle ce qu'elle est?

Quelle que soit la couleur, la longueur d'onde ou l'énergie, la vitesse à laquelle la lumière se déplace dans le vide reste constante. Cela ne dépend pas de l'emplacement ou des directions dans l'espace et le temps.

Rien dans l'Univers n'est capable de se déplacer plus rapidement que la lumière dans le vide. 299 792 458 mètres par seconde. S'il s'agit d'une particule massive, elle ne peut approcher que de cette vitesse, mais pas l'atteindre; s'il s'agit d'une particule sans masse, elle doit toujours se déplacer à cette vitesse, si elle se produit dans un espace vide. Mais comment le savons-nous et pourquoi? Cette semaine, notre lecteur nous pose trois questions liées à la vitesse de la lumière:

Pourquoi la vitesse de la lumière est-elle finie? Pourquoi est-elle juste comme elle est? Pourquoi pas plus vite et plus lentement?

Jusqu'au 19e siècle, nous n'avions même aucune confirmation de ces données.


Illustration de la lumière passant à travers un prisme et se divisant en couleurs claires.

Si la lumière passe à travers l'eau, un prisme ou tout autre support, elle est divisée en différentes couleurs. La couleur rouge ne se réfracte pas à l'angle auquel elle est bleue, c'est pourquoi quelque chose comme un arc-en-ciel apparaît. Cela peut être observé en dehors du spectre visible; la lumière infrarouge et ultraviolette se comportent de la même manière. Cela ne serait possible que si la vitesse de la lumière dans le milieu est différente pour la lumière de différentes longueurs d'onde / énergies. Mais dans le vide, en dehors de tout support, toute la lumière se déplace avec la même vitesse finie.


La séparation de la lumière en couleurs se produit en raison de différentes vitesses de lumière, en fonction de la longueur d'onde, à travers le milieu

Ils ne l'ont trouvé qu'au milieu du 19e siècle, lorsque le physicien James Clerk Maxwell a montré ce qu'est vraiment la lumière: une onde électromagnétique. Pour la première fois, Maxwell a placé les phénomènes indépendants de l'électrostatique (charges statiques), de l'électrodynamique (charges et courants mobiles), de la magnétostatique (champs magnétiques constants) et de la magnétodynamique (courants induits et champs magnétiques alternatifs) sur une seule plate-forme unifiée. Les équations qui le régissent - les équations de Maxwell - nous permettent de calculer la réponse à une question apparemment simple: quels types de champs électriques et magnétiques peuvent exister dans un espace vide en dehors des sources électriques ou magnétiques? Sans charges et sans courants, il serait possible de décider que rien - mais les équations de Maxwell prouvent étonnamment le contraire.


Plaque d'équation de Maxwell au dos de son monument

Rien n'est une solution possible; mais une autre chose est également possible - des champs électriques et magnétiques mutuellement perpendiculaires oscillant dans une phase. Ils ont certaines amplitudes. Leur énergie est déterminée par la fréquence des oscillations de champ. Ils se déplacent à une certaine vitesse, déterminée par deux constantes: ε ₀ et μ ₀ . Ces constantes déterminent l'ampleur des interactions électriques et magnétiques dans notre univers. L'équation résultante décrit une onde. Et, comme toute onde, elle a une vitesse, 1 / √ε ₀ µ ₀ , qui se révèle être égale à c, la vitesse de la lumière dans le vide.


Les champs électriques et magnétiques mutuellement perpendiculaires oscillant dans une phase, se propageant à la vitesse de la lumière, déterminent le rayonnement électromagnétique

D'un point de vue théorique, la lumière est un rayonnement électromagnétique sans masse. Selon les lois de l'électromagnétisme, il doit se déplacer à une vitesse de 1 / √ ε ₀ µ ₀ , égale à c - quelles que soient ses autres propriétés (énergie, quantité de mouvement, longueur d'onde). ε ₀ peut être mesuré en fabriquant et en mesurant le condensateur; µ _{0 est} déterminé avec précision à partir des ampères, unités de courant électrique, ce qui nous donne c. La même constante fondamentale, déduite pour la première fois par Maxwell en 1865, est apparue depuis dans de nombreux autres endroits:

• Il s'agit de la vitesse de toute particule ou vague sans masse, y compris gravitationnelle.
• Il s'agit d'une constante fondamentale corrélant votre mouvement dans l'espace avec votre mouvement dans le temps dans la théorie de la relativité.
• Et ceci est une constante fondamentale reliant l'énergie à la masse au repos, E = mc ²


Les observations de Römer nous ont fourni les premières mesures de la vitesse de la lumière obtenues en utilisant la géométrie et en mesurant le temps nécessaire à la lumière pour parcourir une distance égale au diamètre de l'orbite terrestre.

Les premières mesures de cette quantité ont été faites lors des observations astronomiques. Lorsque les lunes de Jupiter entrent et sortent en position d'éclipse, elles apparaissent visibles ou invisibles depuis la Terre dans une certaine séquence, selon la vitesse de la lumière . Cela a conduit à la première mesure quantitative de s au 17ème siècle, qui a été déterminée à 2,2 × 10 ⁸ m / s. La déviation de la lumière stellaire - due au mouvement de l'étoile et de la Terre sur laquelle le télescope est monté - peut également être estimée numériquement. En 1729, cette méthode de mesure a montré une valeur qui ne diffère de la moderne que de 1,4%. Dans les années 1970, le nombre de s était de 299 792 458 m / s avec une erreur de seulement 0,000000002%, dont la plupart découlaient de l'incapacité de déterminer avec précision le mètre ou la seconde. En 1983, le deuxième et le compteur ont été redéfinis grâce à c et aux propriétés universelles du rayonnement atomique. Maintenant, la vitesse de la lumière est exactement de 299 792 458 m / s.


La transition atomique de l'orbitale 6S, δf ₁ , détermine le mètre, la seconde et la vitesse de la lumière

Alors pourquoi la vitesse de la lumière n'est-elle ni plus ni moins? L'explication est aussi simple que celle montrée à la fig. Atome supérieur. Les transitions atomiques se produisent au fur et à mesure qu'elles se produisent, en raison des propriétés quantiques fondamentales des éléments constitutifs de la nature. Les interactions du noyau atomique avec les champs électriques et magnétiques créés par les électrons et d'autres parties de l'atome conduisent au fait que les différents niveaux d'énergie sont extrêmement proches les uns des autres, mais toujours légèrement différents: c'est ce qu'on appelle le fractionnement hyperfin . En particulier, la fréquence de transition de la structure hyperfine du césium 133 émet de la lumière d'une fréquence très spécifique. Le temps pris pour 9 192 631 770 de ces cycles est le deuxième; la distance parcourue par la lumière pendant cette période est de 299 792 458 mètres; la vitesse à laquelle cette lumière se propage détermine s.


Un photon violet transporte un million de fois plus d'énergie que le jaune. Le télescope gamma de l'espace Fermi ne montre aucun retard d'aucun des photons qui nous sont venus de la rafale de rayons gamma, ce qui confirme la constance de la vitesse de la lumière pour toutes les énergies

Pour changer cette définition, il est nécessaire que quelque chose de fondamentalement différent de sa nature actuelle se produise avec cette transition atomique ou avec la lumière qui en provient. Cet exemple nous donne également une leçon précieuse: si la physique atomique et les transitions atomiques fonctionnaient différemment dans le passé ou à de longues distances, cela serait la preuve d'un changement de la vitesse de la lumière au fil du temps. Jusqu'à présent, toutes nos mesures n'imposent que des restrictions supplémentaires sur la constance de la vitesse de la lumière, et ces restrictions sont très strictes: le changement ne dépasse pas 7% de la valeur actuelle au cours des 13,7 milliards d'années écoulées. Si, pour certaines de ces métriques, la vitesse de la lumière ne serait pas constante, ou si elle serait différente pour différents types de lumière, cela conduirait à la plus grande révolution scientifique depuis Einstein. Au lieu de cela, toutes les preuves parlent en faveur de l'Univers, dans lequel toutes les lois de la physique toujours, partout, dans toutes les directions, à tout moment restent les mêmes, y compris la physique de la lumière elle-même. Dans un sens, il s'agit également d'informations assez révolutionnaires.

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].