La vitesse de la lumière

Nous voici arrivés au grand tournant de notre aventure. La question de la vitesse de la lumière a passionné des générations de scientifiques et elle mérite qu'on s'y attarde un peu.

De l'Antiquité à la Renaissance

De l'Antiquité à la Renaissance, la question de la vitesse de la lumière est une question philosophique. Par des arguments philosophiques, les uns, comme Aristote ou Descartes, affirment qu'elle est infinie. D'autres, comme Empédocle, affirment au contraire qu'il s'agit de quelque chose qui est en mouvement et dont la vitesse est donc finie. Ces arguments philosophiques sont intéressants, car ils s'appuient toujours sur des observations, des hypothèses et des raisonnements finalement assez logiques. Comme toujours en sciences, c'est l'expérience qui aura le dernier mot, le jour où on commencera à mesurer la vitesse de la lumière et à s'apercevoir qu'elle est vraiment très grande par rapport à nous, mais finie.

Déterminations expérimentales

Galilée (encore lui!) essayera d'en avoir le coeur net en tentant de la mesurer. Mais son expérience ne lui permettra pas de conclure.

Le premier à prouver expérimentalement qu'elle est finie sera Rømer, un astronome danois qui étudie les satellites de Jupiter, récemment découverts. Il fait une estimation, erronée de 27%, mais c'est un progrès considérable pour l'époque et surtout, c'est la preuve irréfutable qu'elle est finie. 50 ans plus tard, par d'autres méthodes, on arrive déjà à une approximation de l'ordre de 300_000km/s qui est toujours celle qu'on utilise souvent de nos jours.

À notre échelle, c'est une vitesse extrêmement grande et c'est pourquoi nous sommes habitués à considérer que tout ce que nous voyons à un moment donné, ou tout ce que photographie notre appareil photo, s'est passé au même moment. Même dans le cas où nous prenons en photo un coucher de Soleil, nous ne réalisons pas que la lumière qui provient de la ligne d'horizon est partie vers nous il y a moins d'un millième de seconde alors que la lumière de Soleil a mis plus de 7 minutes pour arriver jusqu'à nous.

En 1972, une mesure avancée atteint une telle précision qu'il devient plus simple de s'arrêter là et de décider de faire l'inverse. Au lieu d'essayer de définir le mètre toujours plus précisément pour pouvoir améliorer ensuite les mesures de vitesse, on décide en 1983 d'arrêter de se compliquer la vie et de faire le contraire: Désormais, on fixe une bonne fois pour toutes la vitesse de la lumière à 299_792_458 km/s. Autrement dit, au lieu de faire des mesures toujours plus compliquée, on décide une bonne fois pour toutes que c'est le mètre qui sera désormais défini comme étant la 299_792_458^ème partie de la distance parcourue par la lumière en une seconde.

Oui, mais parcourue par rapport à quoi me direz-vous?

Et bien, et c'est là la grande nouveauté: Par rapport à n'importe quoi! Parce que quelle que soit votre position et votre vitesse, cette vitesse sera toujours la même. La vitesse de la lumière dans le vide, qu'on note "c", est une constante universelle!

Une constante universelle

Tout d'abord, évitons tout de suite un malentendu fréquent. Quand on parle de la vitesse de la lumière, on parle de sa vitesse dans le vide. Quand la lumière se propage dans un milieu matériel, comme le verre ou l'air, sa vitesse diminue. Pourquoi? Parce que dans un milieu matériel, elle avance par bonds. Elle va à sa vitesse normale dans le vide entre deux atomes, mais elle est régulièrement absorbée puis réémise par des atomes. Et à chaque fois, ce processus d'absorption/émission prend un peu de temps. Résultat, elle est ralentie. La constante qu'on appelle "c" dans les équations de la relativité, c'est donc bien la vitesse de la lumière dans le vide.

Comment peut-elle être constante? Einstein et pas mal d'autres se posaient la question depuis un moment. Einstein en particulier se faisait la réflexion suivante: Dans la théorie la plus récente à l'époque, celle de Maxwell, la lumière était une onde électromagnétique, composée comme son nom l'indique d'une partie électrique et d'une partie magnétique. C'était une sorte de phénomène auto-entretenu: À chaque endroit, le champ électrique (représenté ici par le vecteur E) change en permanence. Ce qui, conformément aux équations de Maxwell, génère un champ magnétique (représenté par le vecteur B) qui lui aussi va changer en permanence, générant à son tour un nouveau champ électrique, etc.

Oui, mais, se disait Einstein (qui n'était sans doute pas le seul à se poser cette question), que se passerait-il si je me mettais à courir à côté de cette onde, à la même vitesse qu'elle? De mon point de vue, dans mon référentiel, elle serait immobile. A l'endroit (en mouvement à côté d'elle) où je me trouverait, l'onde serait immobile. Et étant immobile, elle ne pourrait plus s'auto-entretenir?

Une solution en apparence évidente serait considérer que la lumière se propage comme une onde sonore ou une onde à la surface de l'eau, dans un milieu de référence, un "éther luminifère". S'il existait vraiment un tel éther luminifère, alors la relativité galiléenne telle que nous l'avons définie précédemment ne serait qu'une approximation: Il existerait en effet un milieu de référence universel et il deviendrait par exemple possible de savoir, entre nos deux vaisseaux spatiaux, lequel des deux est en mouvement par rapport à lui: En effet, il suffirait de regarder à quelle vitesse chacun des deux astronautes voit bouger la lumière par rapport à lui. Si c'est c, ça veut dire qu'il est immobile dans l'éther luminifère, mais si c'est une vitesse différente, ça veut dire qu'il est en train de se déplacer dans l'éther luminifère.

Cette solution semble tout simple et naturelle, mais depuis 1887 environ, il commençait à être admis qu'il n'y a pas d'éther luminifère ou en tout cas qu'on ne peut pas mettre en évidence de mouvement par rapport à lui.

En 1905, on n'a toutefois pas encore vraiment la certitude que la vitesse de la lumière est bien vraiment la même dans tous les référentiels. Poincaré a déjà proposé cette idée quelques années plus tôt, mais ce n'est encore qu'un postulat. Et comme nous l'avons vu précédemment, c'est sur ce postulat, combiné à celui de la relativité galiléenne, qu'Einstein va fonder la nouvelle théorie relativité.

Pour y parvenir, il va faire un bond extrêmement osé et se souvenir qu'une vitesse, c'est toujours une distance divisée par un temps. Pour que la vitesse de la lumière reste la même dans les deux référentiels, pour qu'elle ne change pas même si je me mets à courir à côté d'elle, il faut modifier à la fois les mesures de distance et celles de temps et ceci d'une manière très particulière. Poincaré y avait pensé, lui aussi, mais d'une manière un peu différente et, à la fin, c'est celle d'Einstein qui s'est avérée la bonne.

Mais nous aurons largement le temps de revenir sur tout ceci.

À retenir

Pour toute sortes de raisons théoriques, au début du 20^ème siècle, l'idée surprenante selon laquelle la vitesse de la lumière pourrait être une constante, la même dans tous les référentiels en mouvement, avait commencé à s'affirmer.

Mais ceci semble entrer en contradiction avec la relativité galiléenne comme avec le sens commun: Si je me mettais à courir à toute vitesse à côté d'un rayon lumineux, je devrais le voir ralentir par rapport à moi, non?

Si c'était le cas, il existerait une sorte de milieu fixe et universel dans lequel se propagerait la lumière et qui permettrait de déterminer qui bouge et qui ne bouge pas par rapport à lui: Quiconque observerait une vitesse de la lumière plus petite ou plus grande que c serait celui qui bouge par rapport à ce milieu universel. Et dans ce cas, la relativité galiléenne ne serait plus tout à fait vraie.

C'est pour tenter de résoudre ce paradoxe apparent qu'Einstein a proposé en 1905 ce que nous appelons aujourd'hui la théorie de la relativité restreinte.

À suivre...

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Sommaire de la série: Quantique et relativité pour les francs-maçons

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