Au 19e siècle, plusieurs expériences scientifiques ont conduit à la découverte d’un certain nombre de phénomènes nouveaux. Parmi ces phénomènes, on peut citer la découverte par Hans Ersted de la génération d’une induction magnétique par un courant électrique. Plus tard, Michael Faraday a découvert l’effet inverse, appelé induction électromagnétique.
Table des matières
Les équations de James Maxwell — la nature électromagnétique de la lumière
À la suite de ces découvertes, l’interaction dite «à distance» a été constatée, ce qui a conduit à une nouvelle théorie de l’électromagnétisme formulée par Wilhelm Weber, basée sur l’interaction à longue portée. Plus tard, Maxwell a défini le concept de champs électriques et magnétiques capables de s’engendrer l’un l’autre, c’est-à-dire l’onde électromagnétique. Par la suite, Maxwell a utilisé dans ses équations la «constante électromagnétique» — c .
À cette époque, les scientifiques avaient déjà compris que la lumière était de nature électromagnétique. La signification physique de la constante électromagnétique est la vitesse de propagation des excitations électromagnétiques. À la surprise de James Maxwell lui-même, la valeur mesurée de cette constante lors d’expériences avec des charges et des courants simples s’est avérée être égale à la vitesse de la lumière dans le vide.
Avant cette découverte, l’humanité avait séparé la lumière, l’électricité et le magnétisme. La généralisation de Maxwell a permis de jeter un nouveau regard sur la nature de la lumière en tant que fragment de champs électriques et magnétiques se propageant indépendamment dans l’espace.
La figure ci-dessous montre le schéma de propagation d’une onde électromagnétique, qui est aussi de la lumière. Ici, H est le vecteur de l’intensité du champ magnétique, E est le vecteur de l’intensité du champ électrique. Ces deux vecteurs sont perpendiculaires l’un à l’autre et à la direction de propagation de l’onde.
Schéma de la propagation d’une onde électromagnétique
Expérience de Michelson — Absoluité de la vitesse de la lumière
La physique de l’époque était largement basée sur le principe de relativité de Galilée, selon lequel les lois de la mécanique sont identiques dans n’importe quel cadre de référence inertiel choisi. En même temps, selon l’addition des vitesses, la vitesse de propagation devait dépendre de la vitesse de la source. Cependant, dans ce cas, l’onde électromagnétique se comporterait différemment selon le choix du cadre de référence, ce qui viole le principe de relativité de Galilée. La théorie de Maxwell, qui semblait parfaitement formée, se trouvait donc dans une situation précaire.
Les expériences ont montré que la vitesse de la lumière ne dépendait pas de la vitesse de la source, et qu’il fallait donc une théorie capable d’expliquer un fait aussi étrange. La meilleure théorie à l’époque s’est avérée être celle de l'»éther», un certain milieu dans lequel la lumière se propage, tout comme le son se propage dans l’air. La vitesse de la lumière serait alors déterminée non pas par la vitesse de déplacement de la source, mais par les particularités du milieu lui-même, l’éther.
De nombreuses expériences ont été entreprises pour découvrir l’éther, la plus célèbre étant celle du physicien américain Albert Michelson. En bref, on sait que la Terre se déplace dans l’espace. Il est donc logique de supposer qu’elle se déplace également dans l’éther, puisque l’attachement complet de l’éther à la Terre n’est pas seulement le plus haut degré d’égoïsme, mais ne peut tout simplement pas être causé par quoi que ce soit. Si la Terre se déplace dans un milieu dans lequel la lumière se propage, il est logique de supposer qu’il y a une addition de vitesses. En d’autres termes, la propagation de la lumière doit dépendre de la direction du mouvement de la Terre, qui traverse l’éther. Au cours de ses expériences, Michelson n’a pas constaté de différence entre la vitesse de propagation de la lumière dans les deux directions à partir de la Terre.
Le vent éthérique par rapport à la Terre
Le physicien néerlandais Hendrik Lorenz a tenté de résoudre ce problème. Selon son hypothèse, le «vent d’éther» influence les corps de telle sorte qu’ils rétrécissent dans la direction de leur mouvement. Selon cette hypothèse, la Terre et l’appareil de Michelson ont subi cette contraction lorentzienne, ce qui a permis à Albert Michelson d’obtenir la même vitesse de propagation de la lumière dans les deux directions. Bien que Lorentz ait réussi à retarder la disparition de la théorie de l’éther, les scientifiques estimaient toujours que cette théorie était «fantaisiste». Ainsi, l’éther était censé posséder un certain nombre de propriétés «fabuleuses», notamment l’apesanteur et l’absence de résistance aux corps en mouvement.
L’histoire de l’éther s’achève en 1905 avec la publication de l’article «Vers l’électrodynamique des corps en mouvement» d’Albert Einstein, alors peu connu.
La théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein.
Albert Einstein, âgé de 26 ans, exprime une vision totalement nouvelle, différente, de la nature de l’espace et du temps, qui va à l’encontre des concepts de l’époque et, en particulier, viole grossièrement le principe de relativité de Galilée. Selon Einstein, l’expérience de Michelson n’a pas donné de résultats positifs pour la raison que l’espace et le temps ont des propriétés telles que la vitesse de la lumière est une valeur absolue. Autrement dit, quel que soit le cadre de référence dans lequel l’observateur ne se trouve pas, la vitesse de la lumière par rapport à lui est toujours de 1 300 000 km/sec. Cela implique l’impossibilité d’appliquer l’addition des vitesses à la lumière — quelle que soit la vitesse à laquelle se déplace la source de lumière, la vitesse de la lumière ne changera pas (addition ou soustraction).
Une expérience de pensée avec un train. Absoluité de la vitesse de la lumière
Einstein a utilisé la contraction lorentzienne pour décrire la modification des paramètres des corps se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière. Ainsi, par exemple, la longueur de ces corps diminuera et leur temps propre ralentira. Le coefficient de ces changements est appelé facteur de Lorentz. La formule bien connue d’Einstein E= mc 2 inclut également le facteur de Lorentz ( E= ymc 2 ), qui est généralement égal à un, dans le cas où la vitesse du corps v est égale à zéro. Lorsque la vitesse du corps v se rapproche de la vitesse de la lumière c, le facteur de Lorentz y va à l’infini. Il s’ensuit que l’accélération d’un corps jusqu’à la vitesse de la lumière nécessiterait une quantité infinie d’énergie, et qu’il est donc impossible de franchir cette limite de vitesse.
Cette affirmation est également étayée par l’argument de la «relativité de simultanéité».
Documents sur le sujet
Le paradoxe de la relativité de la simultanéité STO
En bref, le phénomène de la relativité de simultanéité consiste dans le fait que les horloges, qui sont situées en différents points de l’espace, ne peuvent aller «simultanément» que si elles se trouvent dans le même cadre de référence inertiel. Autrement dit, l’heure de l’horloge dépend du choix du référentiel.
Le paradoxe selon lequel l’événement B, qui est une conséquence de l’événement A, peut se produire en même temps que lui, en découle. De plus, il est possible de choisir des référentiels de telle sorte que l’événement B se produise avant l’événement A qui l’a causé. Un tel phénomène viole le principe de causalité, qui est solidement établi dans la science et n’a jamais été remis en question. Toutefois, cette situation hypothétique n’est observée que lorsque la distance entre les événements A et B est supérieure à l’intervalle de temps qui les sépare, multiplié par la «constante électromagnétique» — c . Ainsi, la constante c , qui est égale à la vitesse de la lumière, est la vitesse maximale de transmission de l’information. Dans le cas contraire, le principe de causalité serait violé.
Comment mesure-t-on la vitesse de la lumière ?
Observations d’Olaf Römer
Les scientifiques de l’Antiquité pensaient pour la plupart que la lumière voyageait à une vitesse infinie, et la première estimation de la vitesse de la lumière a été obtenue dès 1676. L’astronome danois Olaf Rømer observait Jupiter et ses satellites. Au moment où la Terre et Jupiter se trouvent de part et d’autre du Soleil, l’éclipse de Io, satellite de Jupiter, est retardée de 22 minutes par rapport au temps calculé. La seule solution trouvée par Olaf Römer est que la vitesse de la lumière est limitée. C’est pourquoi l’information sur l’événement observé est retardée de 22 minutes, car il faut un certain temps pour parcourir la distance entre le satellite Io et le télescope de l’astronome. Selon les calculs de Rømer, la vitesse de la lumière était de 220 000 kilomètres par seconde.
Mesure de la vitesse de la lumière par Olaf Römer
Observations de James Bradley
En 1727, l’astronome anglais James Bradley a découvert le phénomène de l’aberration lumineuse. L’essence de ce phénomène est que lorsque la Terre se déplace autour du Soleil, ainsi que pendant la rotation de la Terre elle-même, il y a un déplacement des étoiles dans le ciel nocturne. Étant donné que l’observateur terrestre et la Terre elle-même changent constamment la direction de leur mouvement par rapport à l’étoile observée, la lumière émise par l’étoile parcourt une distance différente et tombe à un angle différent pour l’observateur au fil du temps. La vitesse limitée de la lumière fait que les étoiles dans le ciel décrivent une ellipse au cours d’une année. Cette expérience a permis à James Bradley d’estimer la vitesse de la lumière à 308 000 kilomètres par seconde.
Une aberration stellaire découverte par Bradley
L’expérience de Louis Fizeau
En 1849, le physicien français Louis Fizeau a réalisé une expérience en laboratoire pour mesurer la vitesse de la lumière. Le physicien a installé un miroir à Paris à une distance de 8 633 mètres de la source, mais selon les calculs de Römer, la lumière parcourrait cette distance en un cent millième de seconde. Une telle précision était inaccessible à l’époque. Fizeau utilisa alors une roue dentée, qui tournait sur le trajet de la source au miroir et du miroir à l’observateur, et dont les dents recouvraient périodiquement la lumière. Dans ce cas, lorsque le faisceau lumineux allant de la source au miroir passait entre les dents et, sur le chemin du retour, heurtait la roue dentée, le physicien doublait la vitesse de rotation de la roue. À mesure que la vitesse de rotation de la roue augmentait, la lumière a presque cessé de disparaître jusqu’à ce que la vitesse de rotation atteigne 12,67 tours par seconde. À ce moment-là, la lumière a de nouveau disparu.
Une telle observation signifie que la lumière se heurte constamment aux rouages et n’a pas le temps de «sauter» entre eux. Connaissant la vitesse de rotation de la roue, le nombre de dents et la distance doublée entre la source et le miroir, Fizeau calcula la vitesse de la lumière, qui était égale à 315 000 km/sec.
Schéma de l’expérience de Louis Fizeau
Un an plus tard, un autre physicien français, Léon Foucault, réalise une expérience similaire en utilisant un miroir tournant au lieu d’une roue dentée. La valeur de la vitesse de la lumière dans l’air qu’il obtient est de 298 000 km/s.
Un siècle plus tard, la méthode de Fizeau a été améliorée à tel point qu’une expérience similaire réalisée en 1950 par E. Bergstrand a donné une valeur de vitesse de 299 793,1 km/sec. Ce chiffre ne diffère que d’un kilomètre par seconde de la valeur actuelle de la vitesse de la lumière.
Autres mesures
Avec l’apparition des lasers et l’augmentation de la précision des instruments de mesure, il a été possible de réduire l’erreur de mesure à 1 m/s. En 1972, des scientifiques américains ont donc utilisé un laser pour leurs expériences. En mesurant la fréquence et la longueur d’onde du faisceau laser, ils ont réussi à obtenir une valeur de 299 792 458 m/s. Il convient de noter qu’il était impossible d’améliorer encore la précision de la mesure de la vitesse de la lumière dans le vide, non pas en raison de l’imperfection technique des outils, mais à cause de l’erreur de l’étalon du mètre lui-même. C’est pourquoi, en 1983, la XVIIe Conférence générale des poids et mesures a défini le mètre comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en un temps égal à 1 / 299 792 458 secondes.
La distance de la Terre à la Lune est égale à 1,25 seconde-lumière.
En résumé
Il résulte donc de tout ce qui précède que la vitesse de la lumière dans le vide est une constante physique fondamentale qui apparaît dans de nombreuses théories fondamentales. Cette vitesse est absolue, c’est-à-dire qu’elle ne dépend pas du choix du cadre de référence, et elle est également égale à la vitesse limite de transmission de l’information. Non seulement les ondes électromagnétiques (lumière), mais aussi toutes les particules sans masse se déplacent à cette vitesse. Y compris, probablement, le graviton, une particule d’ondes gravitationnelles. Entre autres, en raison des effets relativistes, le temps propre de la lumière s’arrête littéralement.
De telles propriétés de la lumière, en particulier l’inapplicabilité à celle-ci du principe d’addition des vitesses, n’entrent pas dans la tête. Cependant, de nombreuses expériences confirment ces propriétés et un certain nombre de théories fondamentales sont basées sur cette nature de la lumière.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023