la vitesse de la lumière est-elle si infranchissable que ça?
DIVERS
+ DE 2 ANS
Le 18/03/2015 à 15h46
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Question d'origine :
Le mur du son à longtemps été considéré comme infranchissable, avant que les avions élaborés par les chercheurs ne le franchissent, et plusieurs fois. Pourquoi la même chose ne pourrait jamais arriver pour la vitesse de la lumière dans quelques années ?
Réponse du Guichet
gds_et
- Département : Équipe du Guichet du Savoir
Le 19/03/2015 à 11h00
Bonjour,
La théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein affirme qu’aucun objet possédant une masse ne peut se déplacer plus vite que la lumière dans le vide :
Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse d’environ 300 000 km/ s : la mesure la plus précise à ce jour donne une valeur de 299 792,458 km/ s. Cette grandeur est une constante fondamentale de la physique, que l’on note c, pour célérité.
[…]Au début du vingtième siècle, les physiciens réalisèrent que la vitesse de la lumière était la même pour toute une catégorie de référentiels appelés inertiels, c’est-à-dire qui sont en mouvement de translation les uns par rapport aux autres (voir « Théorie »). Cette observation les contraignit à modifier profondément les concepts d’espace et de temps, ce qui conduisit à l’élaboration de la théorie de la relativité restreinte. Une conséquence remarquable de cette théorie : deux référentiels inertiels ne peuvent se déplacer l’un par rapport à l’autre avec une vitesse supérieure à celle de la lumière dans le vide. Il est par conséquent impossible de dépasser la vitesse c...
[…]En fait, la théorie de la relativité restreinte proscrit complètement la possibilité de déplacements à des vitesses « supraluminales », supérieures à c, qui sont souvent nécessaires dans les histoires de science-fiction pour traverser l’Univers en quelques secondes. En sciences-réalité, il faut compter environ neuf mois pour atteindre notre voisine Mars avec les moyens de propulsion actuels, onze ans pour Pluton aux confins du système solaire... et quelques quarante milliards d’années pour la galaxie d’Andromède, l’une des plus proches de notre Voie Lactée. Notez que même en voyageant à la vitesse de la lumière, ce dernier voyage nécessiterait environ trois millions d’années : prévoir de la lecture !
L’existence d’une vitesse limite indépassable a de nombreuses autres conséquences profondes. Aucun signal et donc aucune information physique ne peuvent se propager à une vitesse supérieure à c.
Source : La question qui tue : peut-on dépasser la vitesse de la lumière ?, revue Elementaire, article consultable sur le site de l’Université Paris 7.
On peut tout de même « tricher » en dépassant la vitesse de la lumière dans un milieu réfractaire : dans l’eau par exemple, la lumière se déplace un peu plus lentement que la vitesse c, et peut donc être dépassée par certaines particules :
La vitesse de la lumière serait donc une limite absolue, indépassable ? À y regarder de plus près, tout n’est peut-être pas perdu. En effet, à strictement parler, la théorie de la relativité restreinte stipule que la vitesse limite est la vitesse c de la lumière dans le vide. Cependant, la vitesse de déplacement des ondes lumineuses dans un milieu peut être différente de c. En effet, dans les milieux dits « réfringents », c’est-à-dire transparents comme le verre ou l’eau, elle est en fait égale à c’ = c/n, où n est appelé indice de réfraction. Par exemple, l’indice de réfraction de l’eau est d’environ 1,3, ce qui correspond à une vitesse de propagation de la lumière égale à 230 600 km/s.
Peut-on dépasser la vitesse de la lumière ?
Des progrès récents en sciences des matériaux ont même permis de préparer des milieux aux propriétés optiques telles que l’on parvient à y ralentir considérablement, voire même à y piéger complètement la lumière. Il apparaît donc envisageable de se déplacer plus rapidement que la lumière dans un milieu réfringent, tout en respectant la limitation de vitesse absolue imposée par la relativité restreinte : « à vos marques...»
Plus qu’envisageable, c’est en fait possible et même très fréquent... enfin, pour des particules : par exemple, un électron d’énergie égale à 1 MeV se déplace à une vitesse de 257 370 km/s, c’est-à-dire plus vite que la lumière dans l’eau. Que se passe-t-il si un tel électron traverse une cuve remplie d’eau ? L’eau est un milieu diélectrique, c’est-à-dire qu’il répond au passage d’une particule chargée en émettant de la lumière le long de sa trajectoire.
Mais notre électron se déplace plus rapidement que la lumière émise ! il laisse donc derrière lui un « sillage » lumineux, qui s’apparente au sillage d’un bateau (ou d’un canard...) à la surface de l’eau – à condition que l’esquif vogue plus rapidement que les vagues produites par son passage.
Ce phénomène est appelé l’effet Cerenkov (prononcer « chérènekof »). C’est l’analogue de l’effet Mach pour les ondes sonores. Quand une source sonore se déplace plus rapidement que les ondes qu’elle génère, c’est-à-dire lorsqu’elle dépasse le mur du son, une onde de choc se produit : c’est le « bang » des avions supersoniques. Dans le cas de l’effet Cerenkov, l’onde de choc est un flash lumineux qui poursuit la particule chargée. Cet effet est responsable de la lumière bleue qui emplit les piscines de refroidissement des réacteurs nucléaires : les électrons produits lors des réactions nucléaires sont effectivement plus rapides que la vitesse de la lumière dans l’eau. On utilise aussi la lumière Cerenkov pour détecter le passage de particules chargées et énergétiques, que ce soit dans l’atmosphère, par exemple pour le télescope HESS, ou dans des cuves remplies d’eau, comme c’est le cas dans les expériences AUGER ou SuperkamiokaNDE […].
Il est donc possible de se déplacer plus vite que la lumière. Il suffit pour cela de lui mettre des bâtons dans les roues... grâce à un milieu qui la ralentisse. Dans la vie courante, il nous faudrait tout de même quelques efforts pour passer le « mur de la lumière » : l’indice de réfraction de l’air est de 1,0003, ce qui correspond à une vitesse c’ = 299 700 km/s. Gare aux radars !
Source : La question qui tue : peut-on dépasser la vitesse de la lumière ?, revue Elementaire, article consultable sur le site de l’Université Paris 7.
Mais peut-on envisager de dépasser la limite c ? Même si la physique actuelle affirme que non, la réponse est parfois remise en question : en septembre 2011, des chercheurs du CNRS et du CERN ont annoncé qu'au cours d'expériences ils avaient observé des neutrinos se déplaçant plus vite que la lumière. Un résultat qui avait alors suscité de nombreuses interrogations dans le milieu scientifique mais qui avait fini par être démenti. Les équipes ont en effet découvert des erreurs expérimentales dans leurs travaux qui avaient faussé les résultats.
En 2012, les mathématiciens James Hill et Barry Cox étendent les équations de la théorie d’Einstein. Selon eux, la vitesse de la lumière, à l’instar du mur du son, n’est pas un obstacle insurmontable :
si l'on applique les équations de Hill et Cox à un vaisseau spatial voyageant à une vitesse supérieure à celle de la lumière et que l'on considère que celui-ci accélère de plus en plus, on aboutit à un étrange résultat : d'après les formules, le vaisseau perdrait de plus en plus de masse et une fois une vitesse infinie atteinte, sa masse se résumerait à... zéro. "C'est très suggestif du fait que tout est différent dès que l'on va plus vite que la lumière", indique Hill. "Notre étude n'essaie pas d'expliquer comment ceci pourrait être réalisée, juste comment des équations de mouvement fonctionnent à de tels régimes", ajoute de son côté le Dr Cox.
Malgré ces résultats, pour James Hill, la vitesse de la lumière n'est pas un mur insurmontable. Ce serait un peu comme passer le mur du son. Une chose que bon nombre de scientifiques croyaient impossible avant qu'elle ne soit réalisée en 1947. "Les craintes de dépasser la barrière de la lumière pourraient être similairement infondées. Je pense que ce n'est qu'une question de temps. L'ingéniosité humaine est ce qu'elle est, cela va arriver, mais peut-être que cela impliquera un moyen de transport différent de tout ce qui est aujourd'hui envisagé", assure t-il.
Source : Et si la théorie d'Einstein s'étendait au-delà de la vitesse de la lumière ?, Emeline Ferard, maxisciences.com
Il n’est donc pas interdit de rêver qu’un jour la réalité rejoindra la science-fiction. Cette dernière semble être d’ailleurs une source d’inspiration directe pour les scientifiques : l’ingénieur et astrophysicien Harold White, de la Nasa, a en effet imaginé un vaisseau spatial capable de dépasser la vitesse de la lumière sans enfreindre les lois de la relativité restreinte, reposant sur le principe de la distorsion de l'espace-temps, le Warp Drive (expansion à l'arrière et contraction à l'avant de l'appareil), qui permettrait de raccourcir les distances entre deux points.
Concept purement théorique directement inspiré de Star Trek…
Source : Le Warp Drive supraluminique de Star Trek fait jaser le Web, futura-sciences.com
IXS Enterprise, vaisseau imaginé par Harold White et réalisé par le designer de Star Trek, Mark Rademaker
Source : industrie-techno.com
Pour aller plus loin :
- Neutrinos supraluminiques : chercher l'erreur, Le Monde
- Enterprise, le (très sérieux) concept de vaisseau spatial de la Nasa, Industrie et Technologie
- Vitesse supraluminique, Wikipedia
Bonne journée.
La théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein affirme qu’aucun objet possédant une masse ne peut se déplacer plus vite que la lumière dans le vide :
Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse d’environ 300 000 km/ s : la mesure la plus précise à ce jour donne une valeur de 299 792,458 km/ s. Cette grandeur est une constante fondamentale de la physique, que l’on note c, pour célérité.
[…]Au début du vingtième siècle, les physiciens réalisèrent que la vitesse de la lumière était la même pour toute une catégorie de référentiels appelés inertiels, c’est-à-dire qui sont en mouvement de translation les uns par rapport aux autres (voir « Théorie »). Cette observation les contraignit à modifier profondément les concepts d’espace et de temps, ce qui conduisit à l’élaboration de la théorie de la relativité restreinte. Une conséquence remarquable de cette théorie : deux référentiels inertiels ne peuvent se déplacer l’un par rapport à l’autre avec une vitesse supérieure à celle de la lumière dans le vide. Il est par conséquent impossible de dépasser la vitesse c...
[…]En fait, la théorie de la relativité restreinte proscrit complètement la possibilité de déplacements à des vitesses « supraluminales », supérieures à c, qui sont souvent nécessaires dans les histoires de science-fiction pour traverser l’Univers en quelques secondes. En sciences-réalité, il faut compter environ neuf mois pour atteindre notre voisine Mars avec les moyens de propulsion actuels, onze ans pour Pluton aux confins du système solaire... et quelques quarante milliards d’années pour la galaxie d’Andromède, l’une des plus proches de notre Voie Lactée. Notez que même en voyageant à la vitesse de la lumière, ce dernier voyage nécessiterait environ trois millions d’années : prévoir de la lecture !
L’existence d’une vitesse limite indépassable a de nombreuses autres conséquences profondes. Aucun signal et donc aucune information physique ne peuvent se propager à une vitesse supérieure à c.
Source : La question qui tue : peut-on dépasser la vitesse de la lumière ?, revue Elementaire, article consultable sur le site de l’Université Paris 7.
On peut tout de même « tricher » en dépassant la vitesse de la lumière dans un milieu réfractaire : dans l’eau par exemple, la lumière se déplace un peu plus lentement que la vitesse c, et peut donc être dépassée par certaines particules :
La vitesse de la lumière serait donc une limite absolue, indépassable ? À y regarder de plus près, tout n’est peut-être pas perdu. En effet, à strictement parler, la théorie de la relativité restreinte stipule que la vitesse limite est la vitesse c de la lumière dans le vide. Cependant, la vitesse de déplacement des ondes lumineuses dans un milieu peut être différente de c. En effet, dans les milieux dits « réfringents », c’est-à-dire transparents comme le verre ou l’eau, elle est en fait égale à c’ = c/n, où n est appelé indice de réfraction. Par exemple, l’indice de réfraction de l’eau est d’environ 1,3, ce qui correspond à une vitesse de propagation de la lumière égale à 230 600 km/s.
Des progrès récents en sciences des matériaux ont même permis de préparer des milieux aux propriétés optiques telles que l’on parvient à y ralentir considérablement, voire même à y piéger complètement la lumière. Il apparaît donc envisageable de se déplacer plus rapidement que la lumière dans un milieu réfringent, tout en respectant la limitation de vitesse absolue imposée par la relativité restreinte : « à vos marques...»
Plus qu’envisageable, c’est en fait possible et même très fréquent... enfin, pour des particules : par exemple, un électron d’énergie égale à 1 MeV se déplace à une vitesse de 257 370 km/s, c’est-à-dire plus vite que la lumière dans l’eau. Que se passe-t-il si un tel électron traverse une cuve remplie d’eau ? L’eau est un milieu diélectrique, c’est-à-dire qu’il répond au passage d’une particule chargée en émettant de la lumière le long de sa trajectoire.
Mais notre électron se déplace plus rapidement que la lumière émise ! il laisse donc derrière lui un « sillage » lumineux, qui s’apparente au sillage d’un bateau (ou d’un canard...) à la surface de l’eau – à condition que l’esquif vogue plus rapidement que les vagues produites par son passage.
Ce phénomène est appelé l’effet Cerenkov (prononcer « chérènekof »). C’est l’analogue de l’effet Mach pour les ondes sonores. Quand une source sonore se déplace plus rapidement que les ondes qu’elle génère, c’est-à-dire lorsqu’elle dépasse le mur du son, une onde de choc se produit : c’est le « bang » des avions supersoniques. Dans le cas de l’effet Cerenkov, l’onde de choc est un flash lumineux qui poursuit la particule chargée. Cet effet est responsable de la lumière bleue qui emplit les piscines de refroidissement des réacteurs nucléaires : les électrons produits lors des réactions nucléaires sont effectivement plus rapides que la vitesse de la lumière dans l’eau. On utilise aussi la lumière Cerenkov pour détecter le passage de particules chargées et énergétiques, que ce soit dans l’atmosphère, par exemple pour le télescope HESS, ou dans des cuves remplies d’eau, comme c’est le cas dans les expériences AUGER ou SuperkamiokaNDE […].
Il est donc possible de se déplacer plus vite que la lumière. Il suffit pour cela de lui mettre des bâtons dans les roues... grâce à un milieu qui la ralentisse. Dans la vie courante, il nous faudrait tout de même quelques efforts pour passer le « mur de la lumière » : l’indice de réfraction de l’air est de 1,0003, ce qui correspond à une vitesse c’ = 299 700 km/s. Gare aux radars !
Source : La question qui tue : peut-on dépasser la vitesse de la lumière ?, revue Elementaire, article consultable sur le site de l’Université Paris 7.
Mais peut-on envisager de dépasser la limite c ? Même si la physique actuelle affirme que non, la réponse est parfois remise en question : en septembre 2011, des chercheurs du CNRS et du CERN ont annoncé qu'au cours d'expériences ils avaient observé des neutrinos se déplaçant plus vite que la lumière. Un résultat qui avait alors suscité de nombreuses interrogations dans le milieu scientifique mais qui avait fini par être démenti. Les équipes ont en effet découvert des erreurs expérimentales dans leurs travaux qui avaient faussé les résultats.
En 2012, les mathématiciens James Hill et Barry Cox étendent les équations de la théorie d’Einstein. Selon eux, la vitesse de la lumière, à l’instar du mur du son, n’est pas un obstacle insurmontable :
si l'on applique les équations de Hill et Cox à un vaisseau spatial voyageant à une vitesse supérieure à celle de la lumière et que l'on considère que celui-ci accélère de plus en plus, on aboutit à un étrange résultat : d'après les formules, le vaisseau perdrait de plus en plus de masse et une fois une vitesse infinie atteinte, sa masse se résumerait à... zéro. "C'est très suggestif du fait que tout est différent dès que l'on va plus vite que la lumière", indique Hill. "Notre étude n'essaie pas d'expliquer comment ceci pourrait être réalisée, juste comment des équations de mouvement fonctionnent à de tels régimes", ajoute de son côté le Dr Cox.
Malgré ces résultats, pour James Hill, la vitesse de la lumière n'est pas un mur insurmontable. Ce serait un peu comme passer le mur du son. Une chose que bon nombre de scientifiques croyaient impossible avant qu'elle ne soit réalisée en 1947. "Les craintes de dépasser la barrière de la lumière pourraient être similairement infondées. Je pense que ce n'est qu'une question de temps. L'ingéniosité humaine est ce qu'elle est, cela va arriver, mais peut-être que cela impliquera un moyen de transport différent de tout ce qui est aujourd'hui envisagé", assure t-il.
Source : Et si la théorie d'Einstein s'étendait au-delà de la vitesse de la lumière ?, Emeline Ferard, maxisciences.com
Il n’est donc pas interdit de rêver qu’un jour la réalité rejoindra la science-fiction. Cette dernière semble être d’ailleurs une source d’inspiration directe pour les scientifiques : l’ingénieur et astrophysicien Harold White, de la Nasa, a en effet imaginé un vaisseau spatial capable de dépasser la vitesse de la lumière sans enfreindre les lois de la relativité restreinte, reposant sur le principe de la distorsion de l'espace-temps, le Warp Drive (expansion à l'arrière et contraction à l'avant de l'appareil), qui permettrait de raccourcir les distances entre deux points.
Concept purement théorique directement inspiré de Star Trek…
Source : Le Warp Drive supraluminique de Star Trek fait jaser le Web, futura-sciences.com
IXS Enterprise, vaisseau imaginé par Harold White et réalisé par le designer de Star Trek, Mark Rademaker
Source : industrie-techno.com
- Neutrinos supraluminiques : chercher l'erreur, Le Monde
- Enterprise, le (très sérieux) concept de vaisseau spatial de la Nasa, Industrie et Technologie
- Vitesse supraluminique, Wikipedia
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