Cette publication est en deux sections : celle-ci (la deuxième) concerne la constante fondamentale, on verra que la vitesse de la lumière qui nous parait instantanée sur terre est en fait très lente à l'échelle de l'univers et enfin qu'il y a des exceptions à la constante fondamentale, la première section concerne l'histoire de la mesure de la vitesse de la lumière. Suspense !
300.000 km/s. C'est une constante fondamentale de la physique et une barrière infranchissable selon la théorie de la relativité restreinte qu'Albert Einstein a désigné par "c" (le c de e=mc²).
Qu'est-ce que ça veut dire constante fondamentale ? faisons une expérience de pensée :
Vous vous trouvez à la surface de la terre (jusque là, tout va bien) et vous visez la lune avec un pointeur laser. Les photons de votre laser vont se déplacer de votre position à la surface de la lune à la vitesse de 300.000 km/s. OK, jusque là tout va encore bien.
Maintenant, vous êtes à bord d'un engin très rapide dirigé vers la lune, disons que vous vous déplacez à bord d'une fusée 🚀 à 20.000 km/h (soit 5 km/s). A nouveau, vous visez la lune avec votre pointeur laser. Les photons devraient logiquement se déplacer à 300.000 km/s + 5 km/s, donc 300.005 km/s. Ce qui ne change pas grand chose, mais mathématiquement, ce n'est pas pareil. Eh bien non, les photons se déplaceront encore à la vitesse de 300.000 km/s. C'est ça la constante fondamentale. Vous êtes perturbé par cette info ? 🤔 C'est normal 😊
Cette vitesse qui nous parait instantanée à l'échelle de la terre, est en réalité lente à l'échelle de l'univers ; très lente.
Pour vous en convaincre, regardons ces animations :
La lumière a le temps de faire 7,5 fois le tour de la terre en 1 seconde :
Pour parcourir la distance terre ➡️ lune, la lumière met 1,25 seconde :
Pour terre ➡️ soleil, 8 mn.
Pour Terre ➡️ Mars : ça dépend.
Hein ? 😳 mais ça dépend de quoi ?
Mais oui, la lune se trouve toujours (presque) à distance égale de la terre, tout comme le soleil; mais pour les planètes c'est différent : parfois elles sont proches de nous (opposition), parfois elles peuvent se trouver à l'opposé du soleil (conjonction). D'où le ça dépend... Voir l'infographie ci-dessous.
Disons que quand Mars est au plus proche de la terre (opposition), la lumière de Mars nous parvient en 3mn et 2 s. Mais en 21 minutes lorsque la planète rouge est en conjonction (au plus éloigné de la terre).
De la terre à l'étoile la plus proche (Proxima du Centaure) : 4,5 années.
Du coup, on comprend tout de suite que plus on regarde loin (les étoiles, les galaxies) plus on remonte le temps ! En effet, si on regarde le soleil (ne le faîtes pas, même avec des lunettes solaires) on le voit tel qu'il était il y a 8 mn. Regardez l'étoile polaire, vous la voyez telle qu'elle était il y a 433 ans.
Donc on peut définir que l'année lumière est une unité de mesure de distance (pour les grandes distances). C'est la distance parcourue par la lumière en une année.
Pour les distances à l'intérieur de notre système solaire, on utilise l'unité astronomique (UA). 1 UA = distance terre ➡️ soleil.
Les télescopes sont des instruments à remonter le temps, ils nous permettent de voir des objets invisibles à l’œil nu et donc de remonter encore plus loin dans le temps.
Y a t'il une limite à cette remontada temporelle ? Oui. Cette limite c'est celle de l'univers observable. Même avec le plus puissant des télescopes, on va finir par se prendre un mur infranchissable. On ne peut pas voir d'objets plus loin (donc plus vieux) que 13,8 milliards d'années lumière.
Mais pourquoi donc ? Parce que 13,8 milliards d'années, c'est l'âge de l'univers. Si l'univers est plus vaste que 13,8 milliards d'années en distance, (il est peut-être infini ?) la lumière qui émergerait d'objets, par exemple à 15 milliards d'années lumière, ne nous serait tout simplement pas encore parvenue, puisque l'univers n'a "que" 13,8 milliards d'années d'existence...
L'univers observable, c'est la partie de l'univers que l'on peut observer de notre point de vue sur terre. Si on voulait voir "plus loin" que l'univers observable, il nous faudrait nous déplacer d'autant que ce "plus loin" (mais ici on parle de déplacements à l'échelle des galaxies, aller sur la lune ou sur mars est insignifiant à cette échelle).
Approfondissons :
La vitesse de la lumière est de 300.000 km/s (c = 299.792 pour être précis) dans le vide.
Cela sous entend-t'il que cette vitesse pourrait être différente dans d'autres milieux ? Absolument :
Dans l'eau, la lumière se propage à une vitesse moindre : 225.000 km/s.
Dans le diamant, la vitesse de la lumière chute à 125.000 km/s.
Peut-on se déplacer plus vite que la lumière ?
Pour répondre à cette question, une petite explication préliminaire s'impose :
D'après la théorie de la relativité restreinte, un objet qui subit une accélération acquiert de la masse (1). En accélérant jusqu'à atteindre la vitesse c de 300.000 km/s, il acquerrait ainsi une masse potentiellement infinie (singularité). Or, pour qu'un objet accélère, il faut lui fournir de l'énergie, une énergie d'autant plus importante que l'objet est lourd ! Il n'y a tout simplement pas assez d'énergie sur Terre pour fournir l'accélération nécessaire à un quelconque objet pour l'accélérer ne serait-ce qu'à un dixième de la vitesse de la lumière. Cette vitesse semble donc bien hors d'atteinte... pour des objets. Donc, votre phantasme de piloter votre vaisseau intergalactique et d'appuyer sur le bouton "vitesse lumière", c'est mort ! 😄
Oui mais voilà, accrochez-vous à vos chaussettes, c'est là que ça devient intéressant :
Quand on dit que la vitesse de la lumière est une constante fondamentale, 300.000 km/s infranchissable, on sous-entend à l'échelle du système solaire, soit dans le vide, d'accord ? Mais je viens de dire que dans l'eau, la lumière ne se déplace plus qu'à 225.000 km/s.
Question : Existe-t'il des particules se déplaçant plus vite que 225.000 km/s dans l'eau ? Oui : les neutrinos ! (particules élémentaires de masse pratiquement nulle, qui sont engendrées par des réactions nucléaires).
On peut donc affirmer que, dans certaines circonstances, certaines particules peuvent se déplacer plus vite que la lumière, seulement lorsque cette dernière est ralentie par un milieu. Mais sans dépasser 300.000 km/s.
Au cœur du réacteur nucléaire de recherche de l’Oak Ridge National Laboratory, les électrons se déplacent dans l’eau plus vite que la lumière en émettant une lumière bleue.
Comme un avion franchissant le mur du son émet un bang caractéristique, une particule qui dépasse la vitesse de la lumière émet une lumière intense et bleutée : le rayonnement Cerenkov. Le physicien russe Pavel Cerenkov décroche le prix Nobel en 1958 pour la découverte de ce phénomène auquel on a donné son nom.
Bon du coup, j'ai une autre question :
Est-ce que les photons accélèrent pour atteindre leur vitesse de 300.000 km/s lorsque j'allume mon pointeur laser ? Non, ils sont instantanément à la vitesse c sans besoin d'accélération. Par quel miracle ? les photons n'ont pas de masse ! Certains sont plus énergétiques que d'autres et cela détermine leur longueur d'onde (leur couleur). Les plus énergétiques émettent une lumière bleue, les moins énergétiques une lumière rouge. Mais tous se propagent à la même vitesse.
Ne partez pas, j'ai presque fini : Bon OK, la vitesse de la lumière est coincée par la constante fondamentale. Mais est-ce qu'il y a quand même moyen d'aller plus vite ?
La constante fondamentale de la vitesse de la lumière vaut pour un déplacement dans un milieu donné (l'air, l'eau, l'espace...). Mais si cet espace se dilate ?
Reprenons notre expérience de pensée : disons que vous faites un gâteau aux raisins. Dans la pâte crue, chaque raisin est espacé de 5 cm de son voisin (vous êtes trop maniaque 😄). Dans le four la pâte lève, et quand vous découpez le gâteau les raisins sont maintenant espacés de 8 cm. Ils se sont déplacés de 3 cm. Ont-ils une vélocité ? Non, ils n'ont pas bougé. C'est la pâte qui s'est dilatée. OK ?
A grande échelle, c'est pareil dans l'univers : l'univers est en expansion, c'est à dire que l'espace (la pâte) entre les galaxies (les raisins) se dilate, s'étend. Ce n'est pas qu'une galaxie se déplace par rapport à une autre, c'est "l'espace" entre ces galaxies qui se dilate.
Quelle est la vitesse de l'expansion de l'univers ? 74 km/s par Mpc (mégaparsec). A une vache près. 74 km/s, on est bien loin de 300.000 km/s ! Oui mais c'est 74 par mégaparsec. Donc 148 km/s pour 2 Mpc, 296 km/s pour 4 Mpc, etc... Quoi, vous ignorez ce qu'est un parsec ? bon, filez vite lire Les Parsecs et revenez.
Et donc, entre la vitesse de l'expansion de l'univers, plus la vitesse de déplacement des galaxies les unes par rapport aux autres, certaines galaxies s'éloignent de nous plus vite que la vitesse de la lumière.
Et ce, sans violer la constante fondamentale, puisque sans prendre en compte l'expansion de l'univers, la lumière ne dépasse jamais 300.000 km/s.
(1) Ne pas confondre masse et poids. Le poids est une force proportionnelle à la gravitation, exprimée en newton (N), alors que la masse est une propriété de la matière exprimée en kilogramme (kg).
Un objet a donc la même masse sur la Terre que sur la Lune, mais la force gravitationnelle qu'il subit (le poids) est différente selon le milieu où il se trouve.
Que vous soyez sur la terre ou sur la lune, les atomes qui vous composent sont toujours les mêmes, votre masse (en kg) est donc identique. Par contre la balance indiquera un poids de 10 newton sur la lune mais 60 sur la terre.
Et non, il n'y a pas d'erreur dans ce paragraphe, les pèse-personnes ne sont pas gradués en newton. C'est le langage courant qui est dans l'erreur en associant poids et kg. Désormais, vous serez gentils d'exprimer votre poids en newton 🤣 !
Michel Havez, 18 Juillet 2021.
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