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

C'est une constante physique notée c (du Latin celeritas, "vitesse"). Quel que soit le repère de référence d'un observateur ou la vitesse de l'objet émettant la lumière, tout observateur obtiendra la même mesure. Aucune chose ou information ne peux voyager plus vite que c.

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

c = 2,997 924 58 × 10⁸ mètres par seconde

• permissivité électrique du vide : ε₀ = 8,854 187 817... × 10^-12 F.m^-1 (valeur exacte)
• perméabilité magnétique du vide : μ₀ = 4π × 10^-7 = 12,566 370 614... × 10^-7 N.A^-2 (valeur exacte)

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 par heure en sens inverse se voient l'une et l'autre comme se rapprochant à une vitesse de 60 km/h + 60 km/h = 120 kilomètres par heure. A des vitesses approchant celle de la lumière, les résultats expérimentaux montrent que cette règle d'addition ne peut plus s'appliquer. Deux vaisseaux spatiaux voyageant l'un vers l'autre à 90% de c (par rapport à un observateur entre les deux), ne se verront pas approcher à 180% de c. En fait ils percevront leur vitesse d'approche (ou vitesse relative) à un peu moins de 99,5% de c.

Ce résultat est donné par la formule d'Einstein :

Ainsi, quelle que soit la vitesse à laquelle se déplace un objet par rapport à un autre, chacun mesura la vitesse de l'impulsion lumineuse reçue avec une même valeur, la vitesse de la lumière.

Albert Einstein développa la théorie de la relativité en appliquant ces étranges conséquences à la mécanique classique. Les confirmations expérimentales de la théorie de la relativité montrent bien que la vitesse de la lumière est constante et indépendante du déplacement de l'observateur.

Table of contents

1 Histoire 2 Plus vite que la lumière 3 Lien externe 4 Bibliographie

Histoire

Galilée semble avoir été le premier à imaginer une limite à la vitesse de la lumière et à tenter de la mesurer. Il nous laisse un récit d'une expérience utilisant des lanternes entre deux collines aux alentours de Florence (Italie).

La première mesure fut effectuée en 1676 par un astronome danois (Ole Rømer). Il étudiait le mouvement des satellites de Jupiter à l'observatoire de Paris et remarqua des différences entre le modèle théorique de révolution des satellites et ses observations. Il présuma que cela était dû à la distance entre la terre et Jupiter. Ainsi, connaissant le diamètre de l'orbite de la terre et la distance de Jupiter, il obtint une valeur de 225 000 km/s.

En 1849, Hippolyte Fizeau mesura une vitesse de 315 000 km/s ; son dispositif comprenait une roue dentée qui laissait passer la lumière par intermitence, et un miroir situé à 17 km de la source (distance aller-retour Montmartre-Suresne). En 1850, Léon Foucault mesura la vitesse de la lumière avec une erreur de 1 % ; son dispositif comprenait deux miroirs concaves et un miroir tournant animé par un mécanisme d'horlogerie, et tenait sur une table.

En 1862, James Clerk Maxwell calcula la vitesse des ondes électromagnétiques à partir de ses équations, ce qui permit d'établir que la lumière était une onde électromagnétique et que sa vitesse était une constante indépendante du référentiel.

Une autre étape décisive fut l'expérience de Michelson-Morley (1881-1887). Il s'agit d'un interféromètre de Michelson dont une des branches a la direction Nord-Sud et l'autre branche Est-Ouest. Cette expérience a permis de montrer expérimentalement que la vitesse de la lumière était la même dans ces deux directions malgré la vitesse de rotation de la Terre. Cela invalida la théorie de l'éther et confirma que la vitesse de la lumière était indépendante du référentiel.

Plus vite que la lumière

Des expériences récentes montrent qu'il est au possible au front d'onde de la lumière de dépasser c. Une expérience fit traverser un flash laser à travers un plasma d'atomes de césium, la vitesse fut mesurée à 300 c. Toutefois, il n'est pas possible d'utiliser cette technique pour faire circuler une information plus rapidement que c, le produit de la vitesse du front d'onde et de celle de l'information est égal à c.

Voici une image de cette notion de vitesse apparente de "plus vite que la lumière". Supposons qu'une personne écrive deux lettres identiques et les envoie à deux personnes situées à 500 km de distance. Les personnes reçoivent la lettre quasiment en même temps et l'ouvrent à une seconde d'intervalle. Peut-on dire que l'information a voyagée à 500 km/s ? Certainement pas. Notez que cette métaphore est elle aussi trompeuse (elle correspondrait en physique à une théorie avec une "variable cachée") et ne permet pas de comprendre simplement des résultats quantiques.

Lien externe

• Applet java montrant un front d'onde avancant plus vite que c. Les traits blancs verticaux avancent à la vitesse c: http://www.netspace.net.au/~gregegan/APPLETS/20/20.html