La vitesse de la lumière

Vitesse de la lumière par seconde

La lumière a été au cœur des discussions depuis l’antiquité. Aristote fût l’un des premiers à considérer que les objets émettent leur lumière vers l’extérieur et c’est ce qui permet à l’œil de percevoir leur forme. Il a fallu attendre la fin du moyen âge pour observer les premières tentatives de calcul de la vitesse de la lumière. Ce sont les travaux de James Clerk Maxwell qui ont permis de déterminer que la lumière est une onde électromagnétique.

Valeur de la vitesse de la lumière

Valeur de la vitesse de la lumièreGalilée fût le premier à avoir tenté de mesurer cette vitesse de la lumière en plaçant deux de ses assistants sur deux collines avec des lanternes et il leur a demandé de s’envoyer des signaux lumineux en cachant et découvrant leurs lanternes lorsqu’ils percevaient le signal de l’autre. Après plusieurs tentatives malheureusement vaines, Galilée pensa tout de même que la propagation de la lumière n’est pas instantanée mais qu’à l’échelle humaine (aussi à cause des limitations matérielles de l’époque) cette valeur serait très élevée :

La vitesse de la lumière scientifiquement nommée célérité de la lumière (c*) est bien calculable.

Ole Römer et Christian Huygens furent les premiers à estimer la vitesse de la lumière à 220.000 km/s dès 1675. La dernière mesure la plus précise

obtenue et approuvée par le Bureau international des poids et mesures est de l’ordre de 299.792.458 m.s-1 avec une petite incertitude d’environs 1m.s, soit 299.792 km/s. Cette vitesse varie selon la nature chimique du milieu où l’on effectue la mesure et dans le vide, la lumière se déplace plus vite.

Variation de la vitesse de la lumière en fonction du milieu

Toute matière ainsi que les milieux transparents pouvant être traversés par la lumière sont caractérisés par un indice de réfraction que l’on note généralement « n ». Dans le cas du vide, la valeur de n est de 1 soit n=1 et sert de référence au calcul de l’indice de réfraction des différents milieux chimiques. Pour calculer cet indice (n), il faut chiffrer le rapport entre la célérité de la lumière soit sa vitesse de propagation dans le vide(C) par rapport à sa vitesse de propagation dans le milieu concerné, soit :

C/v

Et Ainsi

C/n

C’est ainsi que les indices de réfractions de l’eau (1,33), le verre (1,5) et le diamant (2,42) on put être établis.

En prenant l’exemple de l’indice de réfraction de l’eau où n=1,33 on peut effectuer le calcul suivant :

 

vitesse de propagation de la lumière dans l’eau = (vitesse de propagation de la lumière dans le vide / 2aindice de réfraction de l’eau)

soit,

  • vitesse de propagation de la lumière dans l’eau = (299.792 X 4581,33) = 225.407.863 m.s-1

Ainsi la vitesse de la lumière est considérablement réduite lorsque celle-ci traverse l’eau.

Formule pour calculer de la vitesse de la lumière

La lettre c pour « célérité » peut être attribuée pour décrire la vitesse de la lumière car cette dernière est une onde électromagnétique. Ainsi pour effectuer le calcul de la célérité de la lumière, il faut considérer comme dans tout calcul de vitesse, la distance parcourue notée d, la durée de propagation notée ∆t soit :

d/∆t

Calcul de la distance sur laquelle il y a eu propagation d

Cependant, par rapport à ce qui a été énoncé précédemment, la valeur de la vitesse de propagation de la lumière est déjà connue et approuvée de l’ordre de 299.792.458 m.s-1. Cela implique que cette formule n’est pas très utilisée dans les calculs concernant la lumière. Quoique cette relation reste très utile pour déterminer la distance parcourue par la lumière par exemple, c’est-à-dire la distance sur laquelle il y a eu propagation. Dans ce cas, il suffit d’adapter le rapport afin d’obtenir la variable voulue, soit :

d=c×∆t

Calcul du temps de propagation de la lumière ∆t

Réciproquement, on peut alors déterminer la durée de la propagation en fonction de la vitesse de propagation et de la distance de propagation en faisant le rapport de ces deux données :

c/d

Grâce au fait que la vitesse de propagation de la lumière a bien pu être définie, plusieurs équations mathématiques ont pu voir le jour.

Un écart immense entre la vitesse de la lumière et la vitesse du son

Durant les périodes orageuses, il est fréquent de remarquer le fait que l’éclair vient avant le tonnerre, c’est-à-dire que l’on peut voir la foudre tomber quelques temps avant que le tonnerre engendré par le choc ne gronde.

Il est possible de calculer l’observateur de la foudre et la position où celle-ci est tombée. En prenant en compte que la vitesse du son est de l’ordre de 340 m.s-1 et qu’elle est très faible en comparaison avec la vitesse de propagation de la lumière qui est de 3108m.s-1. Cette différence illustre à quel point la célérité de la lumière est d’une grandeur très élevée.

Les différentes équations utilisant la célérité de la lumière

E=m.c²E=m.c²Il existe aujourd’hui un certain nombre d’équations liées à des études de physique qui ont recours à la valeur de la vitesse de propagation de la lumière.

La célérité de la lumière est souvent présente en majorité dans les grandeurs physiques étudiées dans le cadre de la physique relativiste.

En parlant de relativité, l’exemple le plus connu étant la relation de l’équivalence de masse établie par Albert Einstein pour l’énergie :

E=m.c²

C’est-à-dire :

Energie= masse × Célérité de la lumière²

La valeur de la célérité de la lumière est également très utilisée pour obtenir la longueur d’onde d’une onde électromagnétique en prenant en compte la fréquence. Le calcul se fait ainsi en calculant le rapport de la célérité par rapport à la fréquence, soit :

c/v

Il y a également la relation entre les durées où l’on peut étudier la valeur d’une durée mesurée :

lumière

Dépasser la vitesse de la lumière est possible

Le chercheur Cherenkov à prouvé par ces recherches qu’il est possible de surpasser la vitesse de la lumière dans un milieu différent du vide. Ce dernier a obtenu un prix Nobel en 1958 en démontrant « l’effet Cherenkov » qui résulte de son expérience qui consistait à déplacer une particule à une vitesse dépassant celle de la propagation de la lumière à l’aide d’un accélérateur. Depuis, il a été possible de déterminer que la lumière émise par la particule devient bleue lorsque sa vitesse atteint celle de la lumière et se transforme en la pointe d’un cône de lumière bleue quand la vitesse de la lumière est dépassée. Ce phénomène est observable de nos jours dans les piscines de refroidissement des grandes centrales nucléaires.

Dans le cas où la vitesse de la lumière dans le milieu est atteinte on obtient la relation pour les ondes émises vers l’avant de la particule.
La distance comprise entre deux surfaces d’onde dépend de la direction suivant laquelle on observe la particule. Il y a une différence de rayon par rapport aux deux surfaces d’ondes successives, cette différence s’illustre par :

λ0=v1T

Pour calculer le décalage entre leur centre on doit considérer la relation :

vT= λ0(v/v1)

Dans ce cas v est la vitesse de la particule émettrice.

Il est ainsi possible d’obtenir la distance entre deux surfaces d’ondes successives :

lumière vitesse

Ainsi lorsque l’on atteint la vitesse de la lumière dans le milieu, on obtient le rapport suivant :

vitesse de la lumière

Ce qui veut dire que la distance qu’il y a entre deux surfaces d’ondes successives vaut 0 soit v=v1.
Selon les différentes recherches effectuées dans le domaine, Il est possible qu’un jour l’être humain puisse voyager à la vitesse de la lumière.

La transmission d’information grâce à la lumière

La transmission d’information grâce à la lumière

La vitesse de transmission des informations a toujours été le grand challenge des nouvelles technologies liées à la communication. Le secteur de l’internet à évolué de manière exponentielle en une période d’un demi-siècle. Ainsi depuis quelques années la fibre optique fait fureur dans le monde grâce à sa vitesse de réponse et d’envoi beaucoup plus importante que les moyens traditionnels. Constituée à la base de fils de cuivre, son fonctionnement repose sur la réfraction et la réflexion de la lumière entourée d’un fil en verre ou en plastique.

Le système adopté par la fibre optique permet ainsi de transférer les rayons lumineux d’un point A à un point B sans aucune perte en empruntant un chemin en zigzag dans la gaine de verre ou de plastique. Aujourd’hui la vitesse de transmission de la fibre optique peut atteindre 0,7 à 0,75 la vitesse de la lumière. Il existe également déjà des fibres expérimentales qui peuvent théoriquement atteindre les 99% de la vitesse de propagation de la lumière.

Des recherches toujours en cours

Les expériences concernant l’envoi de particules à la vitesse de la lumière ne cessent d’augmenter et les formules s’y affairant sont aujourd’hui déjà assez nombreuses. Certains chercheurs ont même essayé de faire des expériences sur la téléportation en se basant sur les propriétés de propagation de la lumière.