Vitesse de la lumière

Quelle est la vitesse de la lumière ?

Dans le vide, la lumière parcourt exactement 299 792 458 mètres chaque seconde. Cela fait environ 299 792 km par seconde, soit à peu près 1,08 milliard de km/h.

Le mot exactement a ici son importance. Depuis 1983, le mètre lui-même est défini à partir de la lumière : un mètre est la distance parcourue par la lumière en 1/299 792 458 de seconde. Cette vitesse n'est donc plus une grandeur que l'on mesure chaque année plus finement. C'est un nombre fixé, et nos règles sont construites autour de lui.

La lumière ralentit quand elle traverse la matière. Dans l'eau, elle va à environ trois quarts de sa vitesse dans le vide, et dans le verre à environ deux tiers. Quand les scientifiques parlent de « la vitesse de la lumière » sans préciser, ils désignent sa vitesse dans le vide, notée en général par la lettre c.

Rømer et les lunes de Jupiter

Pendant la plus grande partie de l'histoire, on a cru que la lumière arrivait instantanément. Le premier indice solide du contraire est venu en 1676 de l'astronome danois Ole Rømer, qui travaillait à l'Observatoire de Paris.

Rømer chronométrait Io, la plus proche des grandes lunes de Jupiter. Io plonge dans l'ombre de Jupiter avec une régularité d'horloge, environ toutes les 42,5 heures. Il remarqua que ces éclipses survenaient un peu en avance quand la Terre se rapprochait de Jupiter, et un peu en retard quand elle s'en éloignait.

Son explication était simple et audacieuse. Quand la Terre est plus loin de Jupiter, la lumière d'Io doit parcourir une distance supplémentaire, et la nouvelle de chaque éclipse nous parvient plus tard. Rømer estima le retard sur toute la largeur de l'orbite terrestre à environ 22 minutes ; la vraie valeur est plutôt de 17. Le savant néerlandais Christiaan Huygens combina ce retard avec la taille estimée de l'orbite terrestre et obtint environ 210 000 km par seconde. Le chiffre était trop bas, mais l'idée essentielle était juste : la lumière a une vitesse finie.

Fizeau, Michelson et des mesures précises

En 1849, le physicien français Hippolyte Fizeau mesura pour la première fois la vitesse de la lumière sur Terre. Il envoya un faisceau entre les dents d'une roue dentée tournant très vite, vers un miroir situé à environ 8 km. À la bonne vitesse de rotation, la lumière de retour était bloquée par la dent suivante. À partir de la vitesse de la roue et de la distance, il obtint une valeur à environ 5 % de la valeur moderne.

Plus tard au XIXe siècle et jusque dans les années 1920, le physicien américain Albert Michelson perfectionna la méthode avec des miroirs tournants. Lors d'une célèbre série de mesures, il fit circuler la lumière entre deux montagnes de Californie distantes d'environ 35 km. Ses résultats s'approchaient de la valeur actuelle à moins d'un kilomètre par seconde près. Michelson devint en 1907 le premier Américain à recevoir le prix Nobel de physique, en grande partie pour ce type de travaux d'optique de précision.

Pourquoi rien de massif ne peut l'atteindre

La relativité restreinte d'Einstein, publiée en 1905, explique pourquoi la vitesse de la lumière agit comme une limite de vitesse cosmique. L'une de ses idées centrales est que la lumière va à la même vitesse pour tous les observateurs, quelle que soit leur propre vitesse.

Il en découle qu'accélérer un objet doté de masse devient de plus en plus difficile à mesure qu'il va vite. Près de la vitesse de la lumière, chaque poussée supplémentaire ajoute de moins en moins de vitesse. Pour atteindre exactement la vitesse de la lumière, l'objet aurait besoin d'une énergie infinie, qu'aucune fusée ni aucun accélérateur de particules ne peut fournir.

La lumière, elle, n'a pas de masse : elle va toujours à c. Le Grand collisionneur de hadrons propulse des protons à plus de 99,9999 % de la vitesse de la lumière, sans qu'ils l'atteignent jamais tout à fait.

Les temps de trajet de la lumière dans l'espace

L'espace est si vaste que même la lumière a besoin de temps pour le traverser. La lumière qui quitte le Soleil atteint la Terre environ 8 minutes et 20 secondes plus tard. Celle que renvoie la Lune ne met qu'environ 1,3 seconde.

Mars montre bien l'effet de ces délais sur de vraies missions. Selon la position des deux planètes sur leurs orbites, un signal radio met environ 3 à 22 minutes pour faire le trajet dans un sens. Un pilote sur Terre ne peut pas conduire un rover en temps réel : les rovers exécutent des commandes planifiées et utilisent leur propre logiciel pour éviter les obstacles.

Plus loin, les délais s'allongent. Voyager 1, la sonde la plus lointaine, est si éloignée que ses signaux mettent près d'une journée entière à nous parvenir.

Regarder le ciel, c'est regarder le passé

Chaque fois que vous voyez quelque chose dans le ciel, vous le voyez tel qu'il était quand sa lumière est partie. Le Soleil que vous voyez est celui d'il y a environ 8 minutes. Une étoile brillante comme Sirius apparaît telle qu'elle était il y a plus de 8 ans.

Pour les galaxies, l'effet devient immense. La lumière de la galaxie d'Andromède l'a quittée il y a environ 2,5 millions d'années. Le télescope spatial James Webb recueille une lumière partie il y a plus de 13 milliards d'années, ce qui permet d'étudier de jeunes galaxies telles qu'elles étaient peu après la naissance de l'Univers.

C'est l'un des outils les plus précieux de l'astronomie. Distance et temps sont liés : le ciel profond fonctionne comme un livre d'histoire en couches, dont les chapitres les plus anciens sont les plus lointains.