montre les étoiles, les gaz, les radiations et les trous noirs, entre autres sources. Mais la lumière provenant de toutes ces sources, des rayons gamma à la lumière visible à la radio, se déplace toujours à la même vitesse dans l’espace vide: la vitesse de la lumière dans le vide. NASA /ESA / SSC / CXC / STScI
Peu importe la vitesse à laquelle vous allez, il y a toujours une chose que vous ne pourrez jamais attraper: la lumière. La vitesse de la lumière n’est pas seulement la vitesse la plus rapide que tout ce qui se trouve dans l’Univers peut parcourir, elle est considérée comme une constante universelle. Que nous allumions une lampe de poche, que nous regardions la Lune ou le Soleil ou que nous mesurions une galaxie à des milliards d’années-lumière, la vitesse de la lumière est la seule chose qui ne change jamais. Mais est-ce vraiment vrai? C’est ce que Violet Brettschneider veut savoir:
La lumière se déplace-t-elle toujours à la même vitesse? S’il est ralenti par quelque chose, restera-t-il plus lent après qu’il ne soit plus ralenti? Va-t-il revenir à la vitesse de la lumière?
Commençons par ce qu’est la lumière à un niveau fondamental: une particule.
les champs se propageant à la vitesse de la lumière définissent ce qu’est un rayonnement électromagnétique. La plus petite unité (ou quantique) de rayonnement électromagnétique est connue sous le nom de photon. Image du domaine public
Elle peut ne pas ressembler à une particule lorsque vous la voyez provenant d’une source de lumière comme une ampoule, une lampe de poche, un pointeur laser ou même le Soleil, mais c’est parce que nous ne sommes pas bien équipés pour voir des particules individuelles. Si nous utilisons des photodétecteurs électroniques à la place de nos yeux, nous découvrons que toute la lumière de l’Univers est composée du même type de particule: le photon. Il a quelques propriétés qui sont les mêmes entre tous les photons:
- sa masse (qui est 0),
- sa vitesse (qui est toujours c, la vitesse de la lumière),
- son spin (qui est toujours 1, une mesure de son moment cinétique intrinsèque),
et un très important qui varie: son énergie. La lumière violette a le plus d’énergie de tous les photons visibles aux yeux humains, tandis que le rouge a le moins d’énergie de tous les photons visibles. À des énergies encore plus basses, les photons infrarouges, micro-ondes et radio, tandis que les photons ultraviolets, rayons X et rayons gamma peuvent être trouvés à des énergies plus élevées.
qui correspondent à différentes parties du spectre électromagnétique. Inductiveload des utilisateurs de la NASA et de Wikimedia Commons
À travers le vide de l’espace, quelle que soit leur énergie, ils voyagent toujours à la vitesse de la lumière. Peu importe à quelle vitesse vous poursuivez ou courez vers la lumière, non plus; cette vitesse à laquelle vous la voyez voyager sera toujours la même. La chose qui se déplace, au lieu de sa vitesse, sera l’énergie de la lumière. Déplacez-vous vers la lumière et elle apparaît plus bleue, la propulsant vers des énergies plus élevées. Éloignez-vous de lui et il apparaît plus rouge, déplacé vers des énergies plus basses. Mais rien de tout cela, peu importe comment vous vous déplacez, comment vous faites bouger la lumière ou comment vous changez l’énergie, ne fera changer la vitesse de la lumière. Le photon à la plus haute énergie et le photon à la plus basse énergie jamais observés se déplacent tous les deux exactement à la même vitesse.
lumière, y compris le photon, le gluon et les ondes gravitationnelles, qui transportent les interactions électromagnétiques, nucléaires fortes et gravitationnelles, respectivement. NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet
Mais si vous êtes prêt à sortir d’un vide et à entrer dans un matériau, il est possible de ralentir la lumière. Tout matériau transparent à la lumière fera voyager ces photons, y compris l’eau, l’acrylique, les cristaux, le verre et même l’air. Mais parce qu’il y a des particules chargées dans ces matériaux — des électrons en particulier — elles interagissent avec les photons de telle sorte qu’elles les ralentissent. La lumière, même si elle n’est pas chargée, se comporte comme une vague. Lorsqu’un photon se déplace dans l’espace, il présente des champs électriques et magnétiques oscillants et peut interagir avec des particules chargées. Ces interactions le ralentissent et le font se déplacer à une vitesse inférieure à la vitesse de la lumière tant qu’ils sont dans un matériau.
prism montre comment la lumière de différentes énergies se déplace à différentes vitesses à travers un milieu, mais pas à travers le vide. Université de l’Iowa
Différents photons ont des énergies différentes, ce qui signifie également que leurs champs électriques et magnétiques oscillent à des vitesses différentes. Alors que la vitesse de tous les différents types de lumière est la même dans le vide, ces vitesses peuvent être différentes dans n’importe quel type de support. Faites briller la lumière blanche (composée de toutes les couleurs) à travers une goutte d’eau ou un prisme, et les photons les plus énergétiques ralentiront encore plus que les moins énergétiques, provoquant la séparation des couleurs.
les arcs-en-ciel sont dus à l’interaction de la lumière du soleil avec les gouttelettes d’eau, tandis que les arcs-en-ciel restants résultent de réflexions supplémentaires dans l’eau ci-dessous. Les couleurs se séparent en raison des différentes vitesses de lumière de photons d’énergies différentes à travers un milieu, dans ce cas, l’eau. Terje O. Nordvik via Astronomy Picture of the Day de la NASA
Voici comment la lumière brillante à travers des gouttelettes d’eau crée un arc-en-ciel, car des photons d’énergies différentes interagissent avec les particules chargées dans un milieu (et ralentissent) de différentes quantités.
les gouttelettes entraînent une séparation de la lumière sous divers angles, la lumière rouge se déplaçant plus rapidement et la lumière violette se déplaçant plus lentement à travers le milieu de l’eau. Science Learning Hub /domaine public
Ce qui est important à retenir, cependant, dans tout cela, c’est que rien ne change à propos de la lumière elle-même. Il ne perd pas d’énergie; il ne change pas ses propriétés fondamentales et intrinsèques; il ne se transforme pas en autre chose. Tout ce qui change, c’est l’espace qui l’entoure. Lorsque cette lumière sort du milieu et retourne dans le vide, elle se déplace à nouveau à la vitesse de la lumière dans le vide: 299 792 458 mètres par seconde. En fait, la définition même que nous avons de la distance et du temps — ce qui définit un « mètre” ou une « seconde” — vient de la lumière elle-même. Les atomes peuvent absorber ou émettre de la lumière, en fonction de la transition des électrons dans un atome.
Delta_f1, est la transition qui définit le compteur, la seconde et la vitesse de la lumière. A. Fischer et coll., The Journal of the Acoustical Society of America (2013)
Le césium, le 55e élément du tableau périodique, possède 55 électrons dans un seul atome neutre stable. Les 54 premiers électrons vivent généralement dans l’état d’énergie le plus bas, mais le 55e a deux niveaux d’énergie possibles qu’il peut occuper qui sont extrêmement proches les uns des autres. Si elle passe de l’énergie légèrement supérieure à l’énergie légèrement inférieure, cette énergie se transforme en un photon d’une énergie très particulière et bien définie. Si vous prenez 9 192 631 770 cycles de ce photon, c’est ainsi que nous définissons une seconde. Si vous prenez la distance parcourue en 30,663319 cycles (soit 9 192 631 770 divisés par 299 792 458), vous obtenez la définition d’un mètre.
Cela nous enseigne quelque chose de phénoménalement profond: tant que les atomes sont les mêmes partout dans l’Univers, nos définitions du temps, de la longueur et de la vitesse de la lumière ne changeront jamais, peu importe où et quand nous regardons dans l’Univers.
Univers, la physique régissant les atomes, et donc nos définitions de la longueur, du temps et de la vitesse de la lumière, sont exactement les mêmes. NASA, ESA/Hubble, HST Frontier Fields
Alors qu’apprenons-nous, en mettant tout cela ensemble?
- La lumière, quelle que soit son énergie, se déplace toujours à la vitesse de la lumière, tant qu’elle voyage dans le vide de l’espace vide.
- Rien de ce que vous faites à votre propre mouvement ou au mouvement de la lumière ne changera cette vitesse.
- En faisant passer cette lumière dans un milieu non vide, vous pouvez changer sa vitesse tant qu’elle est dans ce milieu.
- Une lumière d’énergie différente changera sa vitesse de quantités légèrement différentes, en fonction des propriétés de ce milieu.
- Une fois que vous quittez ce milieu et que vous retournez dans le vide, cette lumière se remet à se déplacer à la vitesse de la lumière.
- Et au meilleur de nos connaissances et de nos mesures, la vitesse de la lumière a la même valeur de 299 792 458 m / s à tout moment et à tous les endroits de l’Univers.
À bien des égards, la lumière est la particule la plus simple de l’Univers. Même s’il se déplace toujours à la vitesse de la lumière, il ne se déplace pas toujours dans un espace complètement vide. Tant qu’il y aura de la matière dans l’Univers qui est transparente à la lumière, vous ne pourrez pas éviter de la ralentir. Mais dès que cette lumière retourne dans l’espace vide, elle revient à la vitesse de la lumière dans le vide, chaque photon se déplaçant comme s’il ne s’était jamais déplacé à une autre vitesse!
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