Etes-vous intéressé par le monde scientifique ? Etes-vous passionné par les sujets spatiaux comme la vitesse de la lumière ?

Cela tombe bien puisqu’en tant qu’experts dans le domaine, nous pouvons vous aider à mieux comprendre ce sujet !

La vitesse de la lumière est définie comme une vitesse à laquelle la lumière se déplace. On parle aussi de distance parcourue par la lumière. Cette lumière étant un phénomène instantané qui évolue en fonction de nombreuses circonstances.

Ainsi, dans cet article, vous découvrirez :                                                                     

  • Histoire de la vitesse de la lumière
  • Les analyses scientifiques sur les mesures de la vitesse de la lumière
  • Quelques méthodes scientifiques sur la vitesse de la lumière
  • Les postulats de base sur la théorie de la « relativité restreinte »

Pour maitriser le monde scientifique, vous devez au préalable suivre certaines techniques. Alors afin de vous faciliter la tâche, nous avons mis un support PDF à votre disposition. Après lecture de cet article, le monde de la vitesse de la lumière n’aura plus aucun secret pour vous !

Suivez-nous dans l’aventure à la découverte de la vitesse de la lumière !

Tout ce qu’il faut savoir sur l’histoire de la vitesse de la lumière

La Grèce était le premier pays originaire dans les écrits sur la lumière. Dans le passé, les grecs pensaient que la lumière ou le rayon lumineux émanait des objets. Ils estimaient également que la vision humaine était émise pour capter cette lumière. Au XVIIe siècle, cette dernière était considérée comme un phénomène instantané, qui a évoluée selon l’observation des éclipses. Une remise en cause de ce principe d’instantanéité concernant distance parcourue par la lumière, a été effectuée par l’expert Galilée.

L’objectif commun des scientifiques à l’époque, était de mesurer la vitesse de la lumière. Il s’agissait ainsi de travaux de détermination de la vitesse et ce, malgré leurs instruments archaïques et primitifs. Ainsi, Galilée a été le premier à effectuer une expérience pouvant mesurer ce trajet de la lumière. Pourtant, il n’avait pas encore eu un résultat certifié permettant de connaitre la durée temps de transmission de la lumière.

Depuis les années 1970, l’erreur dans la mesure de la vitesse de la lumière se trouvait au niveau du 1 m/s. Après le rapprochement des différents résultats obtenus, la XVe Conférence générale des poids et mesures de 1975 a réagi. Elle a ensuite proclamé que 299 792 458 m/s était la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide.

Et ce, avec une erreur relative (incertitude) de 4×10-9, correspondant à une erreur absolue de 1,2 m/s. Cette erreur de mesure de la vitesse de la lumière était causée par la « fabrication » d’un étalon de mètre. La valeur relative de ce dernier était de 4×10-9. De ce fait, une autre réaction de la Conférence générale des poids et mesures a été notée. En effet, elle a adopté en 1983 une nouvelle définition du mètre basée sur les considérations ci-dessus.

L’apparition de modèles pour justifier la nature de la vitesse de la lumière

Et toujours au début du XVIIe siècle, deux modèles différents ont été proposés pour expliquer la nature de la lumière. L’un était la version Newtonienne corpusculaire, soutenue par Newton, et l’autre était le mode ondulatoire, soutenu par Young et Fresnel. Par analogie avec les ondes sonores, un milieu dans lequel les ondes pouvaient se propager est apparu. Dans la seconde moitié du XIXe siècle, les physiciens ont entamé l’étude des phénomènes électriques et magnétiques.

Dans ce contexte, James Clerk Maxwell a réussi à développer une théorie mathématique capable d’unifier les deux phénomènes. C’est ainsi que quatre équations ont pris son nom. De plus, des équations de Maxwell découle la prédiction théorique de l’existence des ondes électromagnétiques ou électromagnétisme. Ces ondes seront ensuite étudiées à l’expérimentation par Hertz. Le calcul de la vitesse de ces ondes a permis de conclure que cette vitesse coïncidait avec celle de la lumière. Il était donc certain que la lumière était un phénomène ondulatoire.

Les analyses scientifiques sur les mesures de la vitesse de la lumière dans l’espace

Pendant l’Antiquité, les scientifiques considéraient que la vitesse de la lumière était infinie. Cette question était un sujet de débat et les scientifiques modernes comme Galilée et Hooke affirmaient le contraire. En effet, ils soutenaient que la lumière n’était point infinie même si elle était très grande. D’autre part, Kepler, Descartes et Fermat affirmaient toujours l’infinité de la vitesse de la lumière.

Puis en 1958, de différentes méthodes ont été appliquées afin d’améliorer la précision de la mesure. C’est là que le physicien Froome a atteint la valeur la plus précise de 299 792,5 kilomètres par seconde. C’était une mesure prise avec un interféromètre à micro-ondes et qui fût améliorée en termes de qualité à partir de 1970. Ceci a été possible grâce au développement de dispositifs laser dotés de plusieurs caractéristiques.

En 1676, une première estimation de la vitesse de la lumière a été fournie par le scientifique Olaf Römer. Il a ainsi tiré une valeur pour la vitesse de la lumière d’environ 220 000 km/s proche de la vérité. Un demi-siècle après, la découverte de l’aberration a confirmé la finitude de la vitesse de la lumière et affiné son estimation. Lors de son étude, Olaf Römer a observé que lorsque la Terre et Jupiter se trouvent sur des côtés opposés du soleil. De même, les éclipses de la lune de Jupiter sont retardées de 22 minutes par rapport aux calculs.

Il fallait attendre le milieu du XIXe siècle pour passer des observations des phénomènes célestes à ceux observables sur Terre. Et ceci grâce aux expériences de Fizeau et Facoult. De plus, après les équations de Maxwell, il a été établi que la lumière était aussi un phénomène ondulatoire. Par identification avec les ondes sonores, les ondes électromagnétiques avaient aussi besoin d’un support pour favoriser sa propagation. C’est ce qui a donné naissance à l’hypothèse de l’existence de l’éther.

 Afin de démontrer cette hypothèse, Michelson et Morely ont conçu une expérience démontrant l’absence de l’éther. Ils ont alors remis en question la relativité galiléenne sur la propagation de la lumière à la même vitesse. En 1905, Albert Einstein a mis au point une explication théorique de ce dernier résultat. Il s’est référé sur deux théories. La première énonce que les lois de la physique sont équivalentes dans tous les systèmes de référence inertiels. Et la deuxième affirme que la vitesse de la lumière est constante.

Quelques méthodes des scientifiques sur la vitesse de la lumière

L’expérience de Galilée pour mesurer la vitesse de la lumière dans l’espace temporel

La première expérience de Galilée vise à mesurer la vitesse de la lumière. Lui et son disciple se tenaient sur deux buttes avec des distances d’environ un kilomètre, les deux lanternes étant protégées. Et le principe repose sur le fait que lorsque Galilée découvrait sa lanterne, l’élève devait faire pareil. Ainsi, le physicien pensait pouvoir mesurer le temps écoulé entre l’allumage d’une lanterne et la vision de la lumière. La tentative en question n’a pas apporté les résultats escomptés. Et pour cause, les temps de réaction des observateurs étaient supérieurs par rapport au temps de parcours de la lumière.

Ainsi, la vitesse de la lumière est une vitesse énorme si on le compare aux mesures de la Terre. Pourtant, la situation change quand nous nous éloignons de la Terre pour se diriger vers les espaces profonds du cosmos. Vu que par rapport à la vitesse de la lumière, il lui faudrait 8 minutes pour arriver jusqu’au Soleil. En conséquence, il faudra plus de 300 ans pour atteindre l’étoile polaire. De plus, il faut plus de deux millions d’années pour parvenir à la galaxie la plus proche de nous (Andromède).

Méthode de Hyppolite Fizeau et Léon Foucault pour déterminer la célérité de la lumière

Deux physiciens français appelés Hyppolite Fizeau et Léon Foucault ont également marqué l’histoire de la vitesse de la lumière. En 1849, Hyppolite Fizeau conçoit une expérience avec des observations réalisées sur des distances terrestres mais non plus astronomiques. Il utilisait deux miroirs espacés de 8 kilomètres et une roue dentée. 

Et peu d’années après, Léon Foucault a perfectionné la méthode de Fizeau. C’est ainsi qu’il a pu concevoir une expérience permettant de mesurer la vitesse de la lumière à l’aide d’un miroir rotatif. Et ce, même étant dans les murs d’un laboratoire. Ces deux expériences concernaient la lumière qui se propageait dans le vide à une vitesse d’environ 300 000 km/s.

Schéma de la méthode de Roemer pour definir la grande célérité de la lumière           

Et en 1676, Ole Roemer a été le premier ayant essayé de mesurer la vitesse de la lumière avec succès. Ceci, grâce à ses études des planètes du système solaire. Il a en effet constaté que l’ombre de la Terre se reflète sur le corps de Jupiter. Il a donc démontré que le temps entre les éclipses était plus court lorsque la distance à la Terre diminuait. Et comme résultat, il a obtenu une valeur de 214 000 kilomètres par seconde qui était acceptable.

Le duo Michelson-morley pour mesurer la durée propre du parcours de la lumière

En 1887, Michelson et Morely ont conçu une expérience afin de prouver l’existence de l’éther. Celle-ci consistait à mesurer la vitesse de propagation de la lumière dans un système en mouvement (la Terre). Et ce, par rapport à ce « milieu invisible ». Cependant, leur expérience a non seulement démontré l’inexistence de l’éther, mais également mis à mal le référentiel galiléen. En effet, ils ont constaté que la lumière se propageait à la même vitesse. Indépendamment de l’observateur.

Selon la relativité galiléenne, les vitesses des corps, en mouvement relatif, s’additionnent vectoriellement. On parle alors de l’addition des vitesses. Exemple, si nous roulons sur une autoroute à 50km/h et que nous sommes dépassés par une voiture roulant à 80km/h. Il s’avère que cette dernière se déplace par rapport à nous à une vitesse de 30 kilomètres par heure. En revanche, si elle vient vers nous par la voie opposée, elle se déplace à 130km/h depuis notre point d’observation.

Après les résultats de l’expérience de Michelson et Morely, Einstein publie en 1905 la théorie de la « relativité restreinte ». Il parvient non seulement à fournir une explication théorique, mais prolonge ce que Galilée avait introduit. Pour ce faire, il a fait une interprétation totalement nouvelle des phénomènes.

Les postulats de base sur la théorie de la « relativité restreinte » ou période restreinte

Les lois de la physique ont la même forme dans tous les systèmes de référence inertiels. La lumière a une vitesse finie identique dans tous les systèmes de référence inertiels. Il s’agit du principe de constance de la vitesse de la lumière. L’une des conséquences majeures du deuxième postulat de la théorie de la relativité générale est le renoncement au concept de temps absolu.

En d’autres termes, un temps identique pour tous les observateurs possibles dans l’univers. Ce renoncement implique la perte du concept de simultanéité. Ainsi, deux évènements qui sont simultanés dans un système de référence (pour un observateur) peuvent ne pas l’être dans un autre.

D’autres conséquences surprenantes sont engendrées par les vitesses relativistes, c’est-à-dire comparables à celles de la lumière. Il y a donc une dilatation des temps (le temps s’écoule plus lentement). On note aussi une contraction des longueurs (une longueur plus courte) et une augmentation de la masse des objets.

Imaginons que nous voyageons à bord d’un vaisseau spatial et que nous nous éloignons d’une horloge qui marque 11 heures. Comme nous voyageons à une vitesse inférieure à celle de la lumière, Nous observons que les aiguilles se déplacent plus lentement. A mesure que nous nous rapprochons de la vitesse de la lumière et une fois celle-ci atteinte, nous verrons les aiguilles s’arrêter. Et ce, jusqu’à ce qu’elles marquent toujours la même heure.

Si, par contre, nous voyagions à une vitesse supérieure à celle de la lumière, nous verrions les aiguilles tourner à l’envers. Cette dernière hypothèse, à savoir le voyage dans le passé, suggère qu’il est impossible de dépasser la vitesse de la lumière. En effet, si cela était possible, le principe de causalité, selon lequel l’effet ne peut jamais précéder la cause tomberait.

Nous voici à la fin de cette belle aventure lumineuse !

En somme, vous avons développé plusieurs thèmes intéressants et à retenir pour la maitrise de ce sujet. Il s’agit de l’importance de l’histoire de la vitesse de la lumière et des études scientifiques adoptées. A cela s’ajoutent les célèbres scientifiques concernés à travers les différentes époques successives.

Il existe de nombreuses analyses astronomiques, telles que la compréhension de la physique du fonctionnement. Celle-ci indique l’étude des satellites qui gravitent et en orbite autour de la terre. Par ailleurs, cette étude sur la vitesse de la lumière s’avère l’une des plus importantes.

De ce fait, nous avons pris la décision d’effectuer des recherches sur ce comportement de la lumière. Ainsi, pour maitriser ce sujet purement scientifique, vous devez vous référer à des manuels et documents fiables. Et pour vous faciliter la tâche, nous vous invitons à télécharger un PDF contenant les méthodes utilisées par les célèbres scientifiques.

Après avoir lu cet article, c’est sûr que vous maitriserez à merveille tous les domaines concernant la vitesse de la lumière. N’hésitez également pas à visiter également notre boutique en ligne.

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