vitesse de la lumière

La vitesse de la lumière dans l’espace libre (le vide) est la vitesse à laquelle les ondes électromagnétiques, dont les ondes lumineuses, se propagent. Connue sous le nom de c, c’est une constante physique fondamentale. La vitesse de la lumière dans l’espace libre joue un rôle important dans la physique moderne car c est la vitesse de propagation limite de toute action physique (voir RÉLATIVITÉ, THÉORIE DE) et elle est invariante – c’est-à-dire qu’elle ne change pas – lors du passage d’un cadre de référence à un autre. Aucun signal ne peut être transmis à une vitesse supérieure à c, et les signaux ne peuvent être transmis à la vitesse c que dans le vide. La relation entre la masse d’un corps matériel et l’énergie totale du corps est exprimée en termes de c. La quantité c apparaît dans les transformations de Lorentz, qui expriment les changements de coordonnées, de vitesses et de temps lorsque le cadre de référence est modifié. De nombreuses autres relations font également intervenir c.

Figure 1. Détermination de la vitesse de la lumière par la méthode de la roue dentée de Fizeau : (S) source lumineuse, (W) roue dentée tournant à vitesse variable pour laquelle les largeurs des dents et des espaces (a) entre les dents sont connues avec précision, (N) miroir semi-transparent, (M) miroir réfléchissant, (MN)distance mesurée avec précision, (E) oculaire. La lumière vue par l’observateur en E est la plus brillante lorsque le temps nécessaire à la lumière pour parcourir la distance NM et retour est égal au temps nécessaire à W pour tourner d’un nombre entier (1, 2, 3, etc.) de dents. Lorsque cette condition est remplie, le faisceau lumineux passe strictement à mi-chemin entre les dents, tant à l’aller qu’au retour vers le miroir réfléchissant.

La quantité c′, la vitesse de la lumière dans un milieu, désigne généralement la vitesse de propagation d’un simple rayonnement optique, ou lumière. Cette vitesse dépend de l’indice de réfraction n du milieu, qui, en raison du phénomène de dispersion, est différent pour les différentes fréquences ν du rayonnement : c′(v) = c/n(v). En raison de cette dépendance, la vitesse de phase de la lumière dans un milieu est différente de la vitesse de groupe (lorsque l’on considère une lumière non monochromatique). Dans le vide, ces deux quantités sont égales. Lorsque l’on détermine expérimentalement c’, on mesure toujours la vitesse de groupe ou vitesse du signal (vitesse du flux d’énergie). La vitesse du signal ne diffère de la vitesse de groupe que dans certains cas particuliers.

La mesure de c avec la plus grande précision possible est extrêmement importante non seulement pour des raisons théoriques générales et pour la détermination des valeurs d’autres quantités physiques, mais aussi à des fins pratiques (voir ci-dessous). La première mesure de la vitesse de la lumière a été effectuée en 1676 par O. Roemer. Sa méthode utilisait la variation du temps entre les éclipses du satellite de Jupiter, Io. Une autre détermination astronomique a été faite par J. Bradley en 1728 sur la base de ses observations de l’aberration de la lumière des étoiles.

La première mesure de la vitesse de la lumière sur terre a été faite par A. H. L. Fizeau en 1849. Il faut noter que l’indice de réfraction de l’air diffère très peu de 1 ; les mesures terrestres donnent donc une valeur extrêmement proche de c. Fizeau a basé sa mesure sur le temps nécessaire à la lumière pour parcourir une distance connue avec précision. Dans son expérience, un faisceau lumineux était périodiquement interrompu par une roue dentée en rotation. Le faisceau a parcouru la distance connue d’environ 8 km et, après avoir été réfléchi par un miroir, est revenu à la périphérie de la roue (figure 1). Là, soit la lumière rencontrait une dent et était bloquée, soit elle passait par un espace entre deux dents et était perçue par l’observateur. Le temps nécessaire à la lumière pour parcourir la distance connue était déterminé à partir des vitesses de rotation connues de la roue. Fizeau obtint pour c la valeur 315 300 km/sec.

En 1838, D. Arago suggéra l’utilisation d’un miroir à rotation rapide au lieu d’une roue dentée. J. B. L. Foucault a mis en œuvre la suggestion d’Arago en 1862 avec un miroir tournant à une vitesse de 512 tours par seconde. Après avoir été réfléchi par le miroir rotatif, le faisceau lumineux parcourt la distance connue jusqu’à un miroir concave fixe, qui renvoie le faisceau vers le miroir rotatif. Pendant que le faisceau se déplaçait depuis et vers le miroir rotatif, ce dernier tournait légèrement (figure 2). En utilisant une distance connue de seulement 20 m, Foucault a trouvé que la vitesse de la lumière était égale à 298 000 ± 500 km/sec.

Les idées de base et les conceptions expérimentales qui sous-tendent les déterminations de la vitesse de la lumière de Fi-zeau et de Foucault ont été utilisées par la suite, sous une forme plus raffinée, par d’autres scientifiques. La méthode de Foucault a atteint son plus haut niveau de développement dans les travaux de A. Michelson (1879, 1902 et 1926). La valeur obtenue par Michelson en 1926, c – 299,796 ± 4 km/sec, était la mesure la plus précise à l’époque et a été utilisée dans les tableaux internationaux des grandeurs physiques.

Figure 2. Détermination de la vitesse de la lumière par la méthode du miroir tournant de Foucault : (S) source lumineuse, (R)miroir à rotation rapide, (C) miroir concave fixe dont le centre coïncide avec l’axe de rotation de R (la lumière réfléchie par C revient donc toujours vers R), (M) miroir semi-transparent, (L)lentille, (E) oculaire, (RC) distance mesurée avec précision. Pendant que la lumière parcourt le chemin RC et le chemin de retour, R tourne ; la position de R lorsque la lumière arrive à nouveau à R est indiquée par une ligne brisée. Le chemin de retour du faisceau de rayons à travers L est également indiqué par des lignes brisées. Le faisceau réfléchi est convergé par L vers le point S′ plus rapide que S, comme ce serait le cas si R était immobile. La vitesse de la lumière est déterminée en mesurant le décalage SS′.

En plus d’accomplir la tâche de déterminer la vitesse de la lumière, les mesures effectuées au 19ème siècle ont joué un rôle extrêmement important en physique. Elles ont fourni une confirmation supplémentaire de la théorie ondulatoire de la lumière (voirOPTIQUE), qui avait déjà été adéquatement étayée par d’autres expériences – par exemple, Foucault en 1850 a comparé les vitesses de la lumière de même fréquence ν dans l’air et dans l’eau. Les mesures ont également démontré la relation étroite entre l’optique et la théorie de l’électromagnétisme, puisque la vitesse de la lumière mesurée correspondait à la vitesse des ondes électromagnétiques calculée à partir du rapport entre les unités électromagnétiques et électrostatiques de charge électrique. Ce rapport a été mesuré lors d’expériences menées par W. Weber et F. Kohlrausch en 1856. Des mesures plus précises ont ensuite été effectuées par J. C. Maxwell. Ce rapport a été l’un des points de départ de la création de la théorie électromagnétique de la lumière par Maxwell entre 1864 et 1873.

Les mesures de la vitesse de la lumière ont également révélé une contradiction profonde dans les prémisses théoriques de base de la physique de l’époque en ce qui concerne le concept de l’éther universel. Les mesures ont fourni des preuves pour des hypothèses mutuellement exclusives du comportement de l’éther lorsque des corps matériels s’y déplacent. La traînée partielle de l’éther a trouvé un soutien dans l’analyse du phénomène d’aberration de la lumière par le physicien anglais G. B. Airy en 1871 et dans l’expérience de Fizeau de 1851, qui a été répétée en 1886 par Michelson et E. Morley. Les expériences de Michelson en 1881 et de Michelson et Morley en 1887 ont fourni des preuves contre la résistance de l’éther. Cette contradiction n’a pas été résolue avant que A. Einstein n’avance sa théorie spéciale de la relativité en 1905.

Les mesures actuelles de la vitesse de la lumière utilisent souvent la méthode de modulation, qui est une modernisation de la méthode de Fizeau. La roue dentée est remplacée, par exemple, par un modulateur optique élec-trooptique, de diffraction ou d’interférence, qui interrompt ou atténue le faisceau lumineux (voirMODULATION DE LA LUMIÈRE). Une cellule photoélectrique ou un photomultiplicateur est utilisé comme détecteur de rayonnement. L’utilisation d’un laser comme source lumineuse, l’emploi d’un modulateur ultrasonique à fréquence stabilisée et l’amélioration de la précision de la mesure de la distance connue ont permis de réduire l’erreur de mesure et ont abouti à la valeur c = 299 792,5 ± 0,15 km/sec.

En plus des mesures directes de la vitesse de la lumière basées sur le temps nécessaire pour parcourir une distance connue, on fait largement appel à des méthodes indirectes, qui offrent une précision encore meilleure. En 1958, le physicien britannique K. Froome a utilisé un interféromètre hyperfréquence en espace libre pour obtenir la valeur c = 299 792,5 ± 0,1 km/sec pour un rayonnement de longueur d’onde λ = 4 cm. L’erreur est encore plus faible lorsque la vitesse de la lumière est déterminée comme le quotient de λ et ν de raies spectrales atomiques ou moléculaires trouvées indépendamment. En 1972, le scientifique américain K. Evenson et ses collègues ont trouvé, avec une précision de 11 chiffres, la fréquence de rayonnement d’un laser CH4 en utilisant un étalon de fréquence au césium (voir ÉTALONS DE FRÉQUENCE QUANTUM). Ils ont déterminé la longueur d’onde du rayonnement (environ 3,39 micromètres) en utilisant un étalon de fréquence au krypton. Le résultat final qu’ils ont obtenu est c = 299 792 456,2 ± 0,8 m/sec. À partir de 1976, la vitesse de la lumière dans le vide a été considérée comme étant de 299 792 ± 0,4 km/sec, conformément à une décision de la 12e assemblée générale de l’Union radio-scientifique internationale (maintenant l’Union internationale des sciences radio) en 1957.

La connaissance de la valeur exacte de la vitesse de la lumière est d’une grande importance pratique, notamment pour la détermination des distances (sur la base du temps de parcours des signaux radio ou lumineux) dans les radars, la détection et la télémétrie optiques, et la télémétrie. Cette méthode de détermination des distances est particulièrement utilisée en géodésie et dans les systèmes de poursuite des satellites artificiels ; elle a également été utilisée pour effectuer des mesures précises de la distance entre la terre et la lune et pour résoudre un certain nombre d’autres problèmes.