Comment connaissons-nous la vitesse de la lumière – et pourquoi y a-t-il une limite de vitesse ? Léa Grue explore l'histoire de l'un des nombres les plus importants de l'univers
D’où vient la vitesse de la lumière et pourquoi est-elle si tenace ?
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Si vous avez suivi un cours de physique de niveau universitaire, vous garderez de « bons » souvenirs d'avoir été invité à mesurer la vitesse de la lumière et – si, pendant plusieurs heures, vous parveniez à aligner parfaitement vos miroirs, vos lentilles et votre source de lumière – d'obtenir une réponse à un peu moins de 300 millions de mètres par seconde. Il s’agit d’une constante fondamentale de la physique, qu’il est crucial de comprendre si vous voulez apprendre quoi que ce soit sur l’univers.
Lorsque nous regardons le cosmos, la lumière est notre seule ressource – enfin, pas tout à fait la seule, mais les ondes gravitationnelles sont assez limitées dans ce qu’elles peuvent nous montrer à l’heure actuelle, alors pardonnez la légère exagération. Pratiquement toutes les avancées en astronomie et en cosmologie reposent sur la collecte de lumière ayant parcouru des millions ou des milliards d’années depuis les limites de la réalité. Même la lumière de l’étoile la plus proche de notre système solaire a voyagé pendant plus de quatre ans pour nous atteindre. Le temps que met la lumière pour voyager est peut-être l’un des aspects les plus utiles – et les moins intuitifs – de la physique.
Les gens se disputent sur la vitesse de la lumière bien avant que nous ayons la moindre idée de ce qu’est réellement la lumière. Pendant des siècles, bon nombre des esprits les plus brillants ont pensé que la lumière était en fait émise par vos yeux comme une sorte de lanterne, en partie à cause de la façon dont les yeux de certains animaux brillent sous certains angles dans l'obscurité. Malgré cela, ils se disputaient encore pour savoir si la lumière était transmise instantanément ou si elle mettait du temps à se propager, et cela n'a été correctement testé qu'au XVIIe siècle.
Les premières tentatives pour le quantifier impliquaient d'installer une lanterne à une certaine distance d'un observateur et de mesurer la différence de temps entre l'ouverture de la lanterne et le moment où l'observateur voyait sa lumière. Cela n'a pas fonctionné (Galileo et ses contemporains n'ont pas pu obtenir de mesure concluante parce que les observateurs étaient trop proches des lanternes), et les scientifiques ont finalement opté pour des méthodes plus complexes et plus précises. Le premier qui a réellement fonctionné a eu lieu en 1675, alors qu'Ole Rømer travaillait à mesurer la période orbitale de la lune de Jupiter, Io. Rømer a remarqué que la période semblait changer à mesure que la distance entre la Terre et Jupiter changeait au fil du temps, ce qui n'avait aucun sens : pourquoi l'orbite d'Io aurait-elle quelque chose à voir avec la position de la Terre ? En fait, cela ne semble différent qu'en raison du temps que met la lumière pour voyager d'Io à la Terre, qui est plus court lorsque les deux sont plus proches l'une de l'autre. L'un de ses collègues, Christiaan Huygens, a fait le calcul et a découvert que la vitesse de la lumière était d'environ 220 000 000 mètres par seconde. Ce n'était pas tout à fait exact, en partie parce que nous ne connaissions pas encore les détails des mouvements de la Terre, mais c'est une approximation, et les estimations se sont améliorées à mesure que les scientifiques développaient des techniques de mesure plus précises. Vers le milieu du 18ème siècle, les valeurs mesurées se situaient à quelques pour cent près du chiffre actuellement accepté de 299 792 458 mètres par seconde pour la vitesse de la lumière dans le vide.
Cela soulève deux questions : pourquoi la vitesse de la lumière est-elle un nombre si aléatoire, et pourquoi y a-t-il une limite de vitesse ? La première est facile à répondre : elle concerne nos unités, car les mètres et les secondes (ou les miles et les heures, ou toute autre unité quotidienne que vous souhaitez utiliser) ont d'abord été définis en termes d'expérience humaine du monde – un mile équivalait à mille pas, par exemple – ce qui n'avait rien à voir avec des constantes fondamentales. La seconde est plus compliquée et concerne la relativité restreinte.
Nous trouverons notre réponse dans l’équation peut-être la plus célèbre jamais écrite : e=mc2. Cela a de nombreuses implications, mais à son niveau le plus bas, cela signifie que nous pouvons considérer l’énergie et la masse comme interchangeables. Lorsque les objets se déplacent à des vitesses extraordinairement élevées, ou relativistes, j’aime les considérer comme ayant simplement un élan, qui est une combinaison de leur masse et de leur vitesse. Si vous souhaitez accélérer un objet, vous devez y consacrer de plus en plus d’énergie. Un objet massif se déplaçant à la vitesse de la lumière aurait un élan infini, que vous pouvez considérer comme une énergie infinie ou une masse infinie. Ce n'est tout simplement pas possible : au moment où l'objet se rapprocherait de la vitesse de la lumière, sa masse deviendrait si énorme qu'il serait impossible de l'accélérer davantage. Mais la lumière n’a pas de masse, elle évite donc facilement ce problème.
La relativité restreinte signifie également qu'un observateur extérieur stationnaire verrait quelque chose de vraiment farfelu s'il regardait cela. Lorsqu'un objet se déplace à une vitesse relativiste, depuis l'extérieur, le temps semble ralentir pour cet objet. Si je m'éloignais de vous à 99 % de la vitesse de la lumière, vous verriez mon vieillissement ralentir. C’est ce qu’on appelle la dilatation du temps. L'autre partie s'appelle la contraction de la longueur. Si je m'éloignais de vous la tête la première, à la manière de Superman, vous me verriez également devenir de plus en plus court à mesure que j'accélérais. À partir de mon cadre de référence rapide, je ne sentirais pas le temps ralentir ni moi-même rétrécir, mais de l'extérieur, plus je me rapprochais de la vitesse de la lumière, plus je devenais petit et sans âge.
C'est un problème, car si jamais j'atteignais la vitesse de la lumière, un observateur extérieur verrait le temps s'arrêter totalement pour moi lorsque ma taille atteindrait zéro. Je disparaîtrais, avec l'espace-temps voyageant avec moi. Heureusement pour moi, les lois de la physique ne le permettent pas. Les seules choses qui peuvent atteindre cette limite de vitesse sont sans masse : les photons, les gluons, les effets de la gravité et c'est tout. Rien ne peut voyager plus rapidement dans l’espace-temps.
Au lieu d’être frustré par cette limite de vitesse cosmique, nous pouvons nous réjouir, car la vitesse de la lumière a une conséquence très importante : l’idée même de conséquences. Toute la physique, toute notre compréhension de tout, repose sur un fondement de causalité, l’idée selon laquelle l’effet suit toujours la cause et jamais l’inverse.
Pensez-y de cette façon : à mesure que j’approche de la vitesse de la lumière, vous observez pour moi un ralentissement du temps. Si j’atteignais la vitesse de la lumière, cela s’arrêterait. Et si je continuais à aller encore plus vite, cela commencerait à aller dans la direction opposée. En voyageant plus vite que la vitesse de la lumière, comme observé à partir de votre cadre de référence, je reculerais dans le temps. Si je vous envoyais un signal qui voyageait plus vite que la vitesse de la lumière, comme une sorte de message texte magique défiant la physique, vous le recevriez avant que je l'envoie. Sans notre limite de vitesse universelle, il serait impossible de dire quel événement a provoqué quel effet – tout ce qui concerne l’univers serait quasiment incompréhensible.
Cela m’amène à mon dernier point, que je trouve à la fois époustouflant et amusant à contempler. Si chaque signal met du temps à se propager et que le temps se déplace différemment dans des référentiels qui se déplacent à des vitesses différentes les uns par rapport aux autres, qu'est-ce que cela signifie pour deux événements de se produire « en même temps » ? Si je me fais un clin d'œil dans le miroir, le clin d'œil que je vois réfléchi se produit en fait juste une infime tranche de temps plus tard que le clin d'œil que j'ai fait physiquement, car la lumière devait rebondir sur mon visage, puis sur le miroir, puis revenir à mes yeux pour percevoir. Si vous dites que deux événements se sont produits en même temps dans des endroits différents de l’espace, je dois demander : « selon qui ? ». En fonction de la distance entre les deux emplacements, il est possible que pour un observateur, l'événement 1 se soit produit en premier, et pour un autre, l'événement 2 ait précédé l'événement 1. La simultanéité objective n'existe pas – pas de « même temps » – et tout cela parce que la lumière a une vitesse. Sauvage, non ?
