Demandez à Ethan: la lumière se déplace-t-elle toujours à la même vitesse?

L'image du centre de la galaxie dans plusieurs gammes de longueurs d'onde montre des sources de rayonnement telles que les étoiles, le gaz, les trous noirs, etc. Mais la lumière émanant de toutes ces sources, du rayonnement gamma au visible et à la radio, se déplace toujours dans l'espace vide à la même vitesse: la vitesse de la lumière dans le vide

Peu importe la vitesse à laquelle vous vous déplacez, une chose que vous ne pouvez jamais attraper: la lumière. La vitesse de la lumière n'est pas seulement la vitesse maximale avec laquelle tout peut se déplacer dans l'Univers, elle est également considérée comme une constante universelle. Que nous allumions la lampe de poche, regardions la Lune ou le Soleil, ou mesurions les paramètres d'une galaxie située à des milliards d'années-lumière de nous, la vitesse de la lumière est la seule chose qui reste inchangée. Mais est-ce toujours le cas? C'est exactement ce que notre lecteur veut savoir:

La lumière se déplace-t-elle tout le temps à la même vitesse? Si quelque chose le ralentit, restera-t-il ralenti après la disparition de cette influence? Accélérera-t-il à la vitesse de la lumière?

Commençons par ce qui constitue la lumière à un niveau fondamental: les quanta.


Oscillant en une seule phase, les champs électriques et magnétiques se propageant à la vitesse de la lumière déterminent le rayonnement électromagnétique. La plus petite unité de rayonnement électromagnétique, un quantum, est connue sous le nom de photon.

La lumière peut être différente des particules si vous observez une source de lumière telle qu'une ampoule, une lampe de poche, un pointeur laser ou le soleil - mais c'est tout parce que nous ne pouvons pas voir ses particules individuelles. Si nous utilisons des photodétecteurs électroniques à la place de nos yeux, nous constaterons que toute la lumière de l'Univers est constituée des mêmes particules, ou quanta-photons. Il a plusieurs propriétés identiques pour tous les photons:

• masse égale à 0;
• vitesse toujours égale à s, vitesse de la lumière;
• spin, une mesure du moment angulaire interne, toujours égale à 1;

et une propriété très importante qui est différente pour différents photons: l'énergie. De tous les photons visibles à l'œil humain, la lumière violette a le plus d'énergie, tandis que le rouge en a le moins. Les photons des gammes infrarouge, micro-ondes et radio ont encore moins d'énergie, et plus encore - des rayons ultraviolets, des rayons X et des rayons gamma.


Échelles de taille, longueur d'onde et température / énergie, correspondant à différentes parties du spectre électromagnétique

À travers le vide de l'espace, quelle que soit l'énergie, ils se déplacent toujours à la vitesse de la lumière. Et peu importe la vitesse à laquelle vous essayez de vous déplacer après la lumière ou vers celle-ci: la vitesse des photons que vous observez sera toujours la même. Au lieu de la vitesse, leur énergie va changer. Déplacez-vous vers la lumière, et elle apparaîtra plus bleue, et son énergie sera plus. Éloignez-vous de lui, et il apparaîtra en rouge, et son énergie sera moindre. Mais peu importe comment vous vous déplacez, comment la lumière se déplace, comment vous changez d'énergie, la vitesse de la lumière ne changera pas. Le photon de la plus haute ou de la plus basse de toutes les énergies observées se déplacera toujours à la même vitesse.


Toutes les particules sans masse se déplacent à la vitesse de la lumière, y compris les photons, les gluons et les ondes gravitationnelles qui transfèrent respectivement les interactions électromagnétiques, nucléaires fortes et gravitationnelles.

Mais si vous voulez passer du vide à un certain matériau, la lumière peut être ralentie. Tout matériau transparent à la lumière permettra aux photons de se déplacer à l'intérieur - que ce soit l'eau, la résine acrylique, les cristaux, le verre et même l'air. Mais comme il y a des particules chargées dans ces matériaux - les électrons - elles vont interagir avec les photons, et donc les ralentir. La lumière, bien qu'elle ne soit pas chargée, se comporte comme une vague. Un photon se déplaçant dans l'espace provoque des oscillations des champs électriques et magnétiques, grâce auxquelles il peut interagir avec des particules chargées. Ces interactions le ralentissent, l'obligeant à se déplacer à une vitesse inférieure à la vitesse de la lumière pendant qu'il se déplace dans le milieu.


Le comportement de la lumière blanche passant à travers un prisme montre comment la lumière de différentes énergies se déplace à différentes vitesses dans un milieu - mais pas dans le vide

Différents photons auront des énergies différentes, ce qui signifie que leurs champs électriques et magnétiques oscilleront à différentes fréquences. Dans le vide, la vitesse des différents types de lumière est la même, mais dans un milieu, elle peut différer. Éclairez-vous avec une lumière blanche, composée de toutes les couleurs, d'une goutte d'eau ou d'un prisme, et les photons à haute énergie ralentiront plus fortement que les photons à basse énergie, ce qui provoquera la division de la lumière en couleurs.


Les arcs-en-ciel primaires (brillants) et secondaires (faibles) apparaissent en raison de l'interaction de la lumière solaire et des gouttelettes d'eau, et d'autres en raison des reflets dans l'eau. Les couleurs sont séparées en raison des différentes vitesses de photons d'énergies différentes se déplaçant dans le milieu - dans ce cas, dans l'eau

C'est ainsi que la lumière, traversant des gouttes d'eau, crée un arc-en-ciel - des photons d'énergies différentes interagissent avec les particules chargées du milieu et ralentissent de différentes manières.


De multiples réflexions de lumière dans une goutte d'eau conduisent à la séparation de la lumière sous différents angles, lorsque la lumière rouge dans le milieu aquatique se déplace plus rapidement et violette - plus lentement.

Il est important de se rappeler que dans ce cas, aucune propriété de la lumière ne change. Il ne perd pas d'énergie, ne change pas ses propriétés intrinsèques, ne se transforme en rien. Seul l'espace qui l'entoure change. Lorsque cette lumière quitte le milieu et revient sous vide, elle se déplace à nouveau avec la vitesse de la lumière dans le vide: 299 792 458 mètres par seconde. En fait, les définitions mêmes des distances et du temps - mètres et secondes - sont calculées par la vitesse de la lumière. Les atomes peuvent absorber ou émettre de la lumière, selon les transitions d'électrons à l'intérieur des atomes.


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

Le césium, le 55e élément du tableau périodique, a 55 électrons dans un seul atome stable et neutre. Les 54 premiers électrons existent généralement dans l'état avec l'énergie la plus basse, mais le 55e a deux niveaux d'énergie possibles qu'il peut occuper, situés extrêmement près l'un de l'autre. S'il passe de celui légèrement supérieur à celui légèrement inférieur, alors l'énergie de transition passe au photon avec une énergie complètement définie. Si vous prenez 9 192 631 770 cycles de ce photon, vous obtenez 1 seconde. Si nous prenons la distance qu'il couvrira en 30,663319 cycles (9 192 631 770/299 792 458), nous obtenons 1 mètre.

Il en résulte une chose étonnamment profonde: tant que les atomes de l'Univers ne seront pas exactement les mêmes, notre définition du temps, de la distance et de la vitesse de la lumière ne changera pas, quel que soit l'endroit dans l'Univers que nous utilisons.


Peu importe jusqu'où nous regardons l'Univers, la physique qui contrôle les atomes et détermine la longueur, le temps et la vitesse de la lumière restera inchangée.

Alors qu'avons-nous appris en conséquence?

1. La lumière, que son énergie soit élevée ou faible, se déplace toujours avec la vitesse de la lumière, tandis qu'elle se déplace dans le vide d'un espace vide.
2. Aucun changement dans votre mouvement ou le mouvement de la lumière ne change cette vitesse.
3. En envoyant de la lumière vers un support autre que le vide, vous pouvez changer sa vitesse pendant qu'il se déplace dans ce support.
4. La lumière d'énergies différentes changera de vitesse différemment, selon les propriétés du milieu.
5. Quittant le milieu et retournant dans le vide, la lumière recommence à se déplacer à la vitesse de la lumière.
6. Selon nos connaissances et les meilleures mesures, la vitesse de la lumière reste aux alentours de 299 792 458 m / s en tous lieux et à tout moment de l'Univers.

À bien des égards, la lumière est la particule la plus simple de l'univers. Et bien qu'il se déplace toujours à la vitesse de la lumière, il ne se déplace pas toujours dans un espace absolument vide. Tant que le matériau transparent est conservé dans l'Univers, vous ne pourrez pas éviter de ralentir la lumière qu'il contient. Mais dès que la lumière revient dans l'espace vide, elle se déplace à nouveau à la vitesse de la lumière, et chaque photon se déplace comme s'il n'avait jamais bougé à une vitesse différente!

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 ].

FAQ: si l'Univers se développe, pourquoi ne nous développons-nous pas ? pourquoi l'âge de l'Univers ne coïncide pas avec le rayon de sa partie observée .