Vitesse de la lumière

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Modèle:Infobox Grandeur physique La vitesse de la lumière dans le vide, habituellement notée Modèle:Mvar, est une constante physique de l'Univers qui est fondamentale dans plusieurs domaines de la physique.

L'étude de la lumière et de sa vitesse remonte à l'Antiquité. Des philosophes et des scientifiques, en s'appuyant sur des arguments théoriques ou des observations, affirment que sa vitesse est infinie, alors que d'autres prétendent que non. Ole Rømer démontre en 1676 qu'elle est finie. Les scientifiques s'attachent ensuite à déterminer sa valeur par divers moyens, la précision s'améliorant au fil des années. Dès la fin du Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, il est acquis qu'elle vaut environ Modèle:Unité ; en 1975, le résultat fiable le plus précis est Modèle:Unité. En 1983, un accord international redéfinit le mètre de telle sorte que la vitesse de la lumière est d'exactement Modèle:Unité.

Dans la vie de tous les jours, la lumière (et donc les ondes électromagnétiques) semble se déplacer instantanément, mais sur de longues distances ou dans des instruments de mesure très précis, des effets permettent de déduire que sa vitesse est finie. Dans les matériaux transparents et les conducteurs électriques, les ondes électromagnétiques se déplacent plus lentement que Modèle:Mvar. Les vitesses de certains phénomènes ondulatoires et de certains objets célestes peuvent être plus grandes que Modèle:Mvar. La vitesse d'expansion de l'Univers excède Modèle:Mvar hors de certaines limites géométriques.

Bien que cette vitesse soit le plus souvent associée à la lumière, c'est aussi celle de toute particule sans masse et de toute perturbation dans un champ situé dans le vide, incluant les ondes gravitationnelles et les ondes électromagnétiques (dont la lumière visible ne constitue qu'une minuscule partie). Les particules dotées d'une masse au repos peuvent approcher de Modèle:Mvar, mais ne peuvent l'atteindre, peu importe le référentiel inertiel dans lequel leur vitesse est mesurée.

Définitions

Au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, la vitesse de la lumière dans le vide est dénotée par la lettre minuscule Modèle:Mvar, initiale du mot latin Modèle:Lang (signifiant « rapidité, célérité ») ou encore de « célérité » en français, mais son symbole a varié dans le temps. En 1856, Wilhelm Eduard Weber et Rudolf Kohlrausch utilisent Modèle:Mvar pour une constante différente qui a été plus tard démontrée égale à Modèle:Racine × Modèle:Mvar. En 1865, le symbole Modèle:Mvar est introduit par James Clerk Maxwell comme alternative pour indiquer la vitesse de la lumière dans le vide. En 1894, Paul Drude préfère Modèle:Mvar, tout en lui donnant sa définition moderne. Pourtant, Albert Einstein utilise Modèle:Mvar dans ses articles sur la relativité restreinte de 1905 ; c'est en 1907 qu'il commence à utiliser Modèle:Mvar, devenu entretemps le symbole courant pour la vitesse de la lumière dans le vide<ref name="Yc">Modèle:Lien web

Modèle:Citation étrangère</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>,<ref>Modèle:Ouvrage</ref>.

Parfois, Modèle:Mvar est utilisée pour indiquer la vitesse d'une onde lumineuse dans n'importe quel médium physique et Modèle:Formule pour la vitesse de la lumière dans le vide<ref name="handbook">Consulter par exemple :

Cette notation indicée, présente dans la littérature du SI<ref name="BIPM_SI_units">Modèle:SIbrochure</ref>, a la même forme que plusieurs constantes de l'électromagnétisme : Modèle:Formule pour la perméabilité du vide (ou constante magnétique), Modèle:Formule pour la permittivité du vide (ou constante électrique) et Modèle:Formule pour l'impédance caractéristique du vide. Dans la suite de cet article, seul Modèle:Mvar est utilisé pour désigner la vitesse de la lumière dans le vide.

Histoire

Avant l'époque moderne (grossièrement, de 1500 à 1800), des scientifiques et des philosophes proposent soit que la lumière se déplace instantanément soit à une vitesse finie très grande. Le premier enregistrement connu d'un effort dans ce sens remonte à la Grèce antique. Les Grecs anciens, les érudits musulmans puis les scientifiques européens de l'époque moderne ont longuement débattu sur ce sujet, jusqu'à ce que Ole Rømer fournisse la première preuve que la vitesse de la lumière est finie. La relativité restreinte d'Einstein, proposée en 1905 et vérifiée expérimentalement par la suite, permet de conclure que Modèle:Mvar est constante, peu importe le référentiel où elle est mesurée. Au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, des scientifiques ont continué à affiner la valeur de Modèle:Mvar.

Histoire succincte des mesures de Modèle:Mvar en km/s
<1638 Galilée, lanternes masquées pas concluant<ref name=2newsciences />,<ref name=boyer />,<ref>Modèle:Article</ref>,<ref group="note">Galilée rapporte que les lanternes se trouvaient à une courte distance, moins de 1,5 km (1 mile). En supposant que cette distance soit vraie, et qu'« au moins un trentième de seconde est l'intervalle minimum de temps pour la détection par un œil nu (Modèle:Citation étrangère), Modèle:Harvsp avance que l'expérience de Galilée ne pouvait que donner une limite basse d'environ 100 km/s pour la vitesse de la lumière.</ref>
<1667 Accademia del Cimento, lanternes masquées pas concluant<ref name="FoschiLeone">Modèle:Article</ref>,<ref name="magalotti">Modèle:Ouvrage</ref>
1675 Rømer et Huygens, lune Io de Jupiter Modèle:Val<ref name=roemer/>,<ref name="Huygens 1690 8–9" /> erreur de ‒27 %
1729 James Bradley, aberration de la lumière Modèle:Val<ref name=How/> erreur de +0,40 %
1849 Hippolyte Fizeau, roue dentelée en rotation Modèle:Val<ref name=How/> erreur de +5,1 %
1862 Léon Foucault, miroirs rotatifs Modèle:Val<ref name=How/> erreur de ‒0,60 %
1907 Rosa et Dorsey, constantes électromagnétiques <math>\mu_0</math> et <math>\epsilon_0</math> Modèle:Val<ref name="Essen1948" />,<ref name="RosaDorsey" /> erreur de ‒280 ppm
1926 Albert Michelson, miroir rotatif Modèle:Val<ref>Modèle:Article</ref> erreur de +12 ppm
1950 Essen et Gordon-Smith, cavité résonnante Modèle:Val<ref name="Essen1950" /> erreur de +0,14 ppm
1958 K. D. Froome, interférométrie radio Modèle:Val<ref name="Froome1858" /> erreur de +0,14 ppm
1972 Evenson et al., interférométrie laser Modèle:Val<ref name="NIST heterodyne" /> erreur de ‒0,006 ppm
1983 17e congrès de la CGPM, définition du mètre Modèle:Val<ref name=Resolution_1/> exact, par définition

Premières tentatives d'explications

Empédocle (c. 490-430 av. J.-C.) est le premier à proposer une théorie de la lumière<ref>Modèle:Ouvrage</ref> et déclare que la lumière a une vitesse finie<ref>Modèle:Ouvrage</ref>. Il affirme que la lumière est quelque chose en mouvement, et doit donc prendre du temps pour voyager. Aristote, au contraire, argue que « la lumière est due à la présence de quelque chose, mais ce n'est pas un mouvement »Modèle:Trad,<ref name="Statistics">Modèle:Article (cliquer sur Historical background dans la table des matières)</ref>. Euclide et Ptolémée reprennent la théorie de l'émission d'Empédocle, où la lumière provient de l'œil, ce qui permet de voir. En se basant sur cette théorie, Héron d'Alexandrie affirme que la vitesse de la lumière doit être infinie puisque l'on voit des objets distants, telles les étoiles, dès que l'on ouvre les yeux<ref>Modèle:Ouvrage</ref>.

Les premiers philosophes islamiques acceptent dans un premier temps la Modèle:Lien selon laquelle la lumière ne voyage pas. En 1021, Alhazen publie son Traité d'optique, où il présente un ensemble d'arguments contre la théorie de l'émission et en faveur de la théorie de l'intromission, c'est-à-dire que la lumière d'un objet entre dans l’œil<ref>Modèle:Article</ref>. Sa réflexion l'amène à proposer que la lumière doit voyager à une vitesse finie<ref name=Statistics/>,<ref name="Hamarneh">Modèle:Article</ref>,<ref name="Lester">Modèle:Ouvrage</ref> et que cette vitesse peut changer selon le corps dans lequel elle se propage, étant plus lente dans les corps plus denses<ref name=Lester/>,<ref>Modèle:Lien web</ref>. Il soutient que la lumière est une matière faite d'une substance solide, sa propagation exige donc du temps, même si nos sens ne peuvent le percevoir<ref>Modèle:Lien conférence</ref>. Également au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, Al-Biruni soutient que la vitesse de la lumière est finie et mentionne qu'elle est nettement plus grande que celle du son<ref>Modèle:Lien web</ref>.

Au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, Roger Bacon argue que la vitesse de la lumière dans l'air n'est pas infinie, recourant à des arguments philosophiques qui s'appuient sur les travaux d'Alhazen et d'Aristote<ref name="Lindberg">Modèle:Ouvrage</ref>,<ref>Modèle:Chapitre</ref>. Dans les Modèle:Nobr, Vitellion étudie la possibilité que la lumière voyage à une vitesse infinie dans le vide, mais ralentit dans les corps plus denses<ref name="Marshall">Modèle:Article</ref>.

Au début du Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, Johannes Kepler pense que la vitesse de la lumière est infinie puisque l'espace vide ne présente aucun obstacle à sa propagation. René Descartes argue que si la vitesse de la lumière est finie, le Soleil, la Terre et la Lune ne seraient pas parfaitement alignés lors d'une éclipse lunaire. Puisqu'un tel manque d'alignement n'a pas été observé, Descartes conclut que la vitesse de la lumière est infinie. Il spécule que si la vitesse de la lumière était finie, tout son système philosophique pourrait être réfuté<ref name=Statistics />. Lorsqu'il dérive les lois de Snell-Descartes, il accepte la contradiction que la lumière se déplace instantanément, alors que son système philosophique affirme que plus dense est le médium, plus rapide est la lumière<ref>Modèle:Ouvrage</ref>. Pierre de Fermat, qui soutient que la vitesse de la lumière est finie, dérive les mêmes lois en utilisant l'argument opposé que la lumière voyage moins vite dans les médiums plus denses<ref>Modèle:Ouvrage</ref>.

Premières tentatives de mesures

Schéma d'une planète orbitant autour du Soleil et d'une lune orbitant autour d'une autre planète.
Schéma dessiné par Ole Rømer pour son étude de la vitesse de la lumière.
Le Soleil est la figure près de la lettre A. La Terre suit l'orbite qui passe par les points E, F, G, H, L et K. Jupiter est représenté par le petit cercle identifié par la lettre B, alors que l'orbite de la lune Io passe par les points C et D. La zone d'ombre solaire de Jupiter est représentée par le rectangle grisé.
Rømer a observé que la durée de l'occultation de Io changeait selon la position de la Terre. Il devait soit conclure que la période orbitale de Io changeait, soit que la vitesse de la lumière était finie.

En 1629, Isaac Beeckman propose une expérience où une personne observe l'éclair d'un coup de canon réfléchi sur un miroir à une distance d'environ 1 mile (1,6 km)<ref name=boyer/>. En 1638, Galilée propose une autre expérience, qu'il aurait réalisée quelques années plus tôt, pour mesurer Modèle:Mvar en observant le délai entre l'exposition du hublot d'une lanterne allumée et de la détection de la lumière projetée à quelque distance de là. Il aurait été incapable de déterminer si Modèle:Mvar est infinie ou pas. Il conclut que si elle n'est pas infinie, elle doit être très grande<ref name="2newsciences">Modèle:Ouvrage</ref>,<ref name="boyer">Modèle:Article</ref>. En 1667, l’Accademia del Cimento de Florence rapporte avoir effectué l'expérience de Galilée, avec des lanternes distantes d'environ 1 mile. Aucun délai n'est observé<ref name=FoschiLeone/>,<ref name=magalotti/>,<ref group="note">Pour cette distance, le délai serait d'environ 11 microsecondes.</ref>.

Ole Rømer est, en 1676, [[Détermination de la vitesse de la lumière par Ole Rømer|le premier à tenter de mesurer Modèle:Mvar]]. Connaissant la période orbitale de la lune Io de Jupiter, il détermine qu'elle raccourcit lorsque la Terre approche de Jupiter et qu'elle allonge lorsque la Terre s'éloigne de Jupiter. Il conclut que la lumière voyage à une vitesse finie ; il estime qu'elle prend Modèle:Unité à franchir le diamètre de l'orbite terrestre<ref name="cohen" />,<ref name="roemer" />. Pour sa part, Christian Huygens combine cette durée avec une estimation du diamètre de l'orbite terrestre et calcule que Modèle:Mvar égale Modèle:Val<ref name="Huygens 1690 8–9">Modèle:Ouvrage</ref>,<ref group="note">C'est-à-dire 26 % de moins que la valeur moderne.</ref>.

Dans son livre Opticks de 1704, Isaac Newton rapporte les calculs de Rømer et affirme que la lumière franchit la distance séparant le Soleil de la Terre en « sept ou huit minutes »Modèle:Trad,<ref>Modèle:Ouvrage

Le texte de la Modèle:Nobr est identique dans les éditions de 1704 et de 1719.</ref>,<ref group="note">La valeur avancée au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle est Modèle:Heure.</ref>.

En 1729, James Bradley découvre l'aberration stellaire<ref name="Bradley1729" />. En s'appuyant sur cet effet, il détermine que Modèle:Mvar égale Modèle:Unit la vitesse orbitale de la Terre<ref group="note">Au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, c'est Modèle:Unité.</ref> ou, de façon équivalente, qu'il faut à la lumière Modèle:Heure pour franchir la distance Soleil-Terre<ref name="Bradley1729" />.

Lien avec l'électromagnétisme

Modèle:Articles connexes Au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, Hippolyte Fizeau développe une méthode pour déterminer Modèle:Mvar en effectuant des mesures terrestres du temps de vol de la lumière ; il rapporte la valeur de Modèle:Unité<ref name="guarnieri 7-1">Modèle:Article</ref>. En 1856, Wilhelm Eduard Weber et Rudolf Kohlrausch, grâce aux décharges électriques d'une bouteille de Leyde, mesurent une unité de charge électromagnétique et une unité de charge électrostatique ; ils calculent le rapport des deux unités et obtiennent une vitesse proche de la valeur obtenue par Fizeau. L'année suivante, Gustav Kirchhoff calcule qu'un signal électrique voyage dans un fil sans résistance à cette même vitesse<ref>Modèle:Article</ref>. Au début des années 1860, James Clerk Maxwell démontre, dans le cadre de sa théorie de l'électromagnétisme, que les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide<ref>Modèle:Ouvrage Extract of page 787</ref>,<ref>Modèle:Ouvrage Extract of page 17</ref>,<ref>Modèle:Ouvrage</ref> à une vitesse égale à celle calculée par Weber et Kohlrausch, tout en attirant l'attention sur la proximité numérique avec la vitesse de la lumière mesurée par Fizeau<ref name="maxwellbio">Modèle:Lien web</ref>. Pour lui, la lumière est une onde électromagnétique<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>. Améliorant la méthode de Fizeau, Léon Foucault obtient Modèle:Val en 1862<ref name="How" />.

Éther luminifère

Photo en noir et blanc de deux hommes en costume debout et regardant l'objectif.
Le physicien néerlandais Hendrik Lorentz (à la droite) avec Albert Einstein.

Aux Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, les scientifiques pensent qu'un médium est nécessaire pour qu'un phénomène ondulatoire puisse se produire, peu importe que ce soit une vague ou une onde sonore par exemple. Puisque la lumière se propage dans le vide, il doit être rempli d'un médium qui sert à la propagation des ondes lumineuses. La Terre, qui se déplace dans ce médium immobile appelé « éther luminifère », est soumise à l'équivalent d'un vent<ref group="note">Situation analogue au déplacement d'un corps physique dans l'atmosphère terrestre. Lorsque nous marchons, on perçoit très peu ou pas la résistance de l'air, alors que si nous sommes dans un véhicule à haute vitesse, la résistance de l'air est perceptible.</ref>,Modèle:Sfn.

Reprenant cette hypothèse, des scientifiques du Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle pensent qu'il est possible de mesurer la vitesse de la Terre en détectant un changement dans la vitesse de la lumière. En effet, si la Terre s'éloigne ou se rapproche du Soleil par exemple, la vitesse de la lumière issue du Soleil change selon la loi de composition des vitessesModèle:Sfn.

Au début des années 1880, plusieurs expériences sont menées pour calculer la vitesse de la TerreModèle:Sfn. La plus connue est l'expérience de Michelson–Morley de 1887Modèle:Sfn. Pendant cette expérience, la vitesse détectée est toujours plus petite que l'erreur d'observation<ref>Modèle:Ouvrage</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>. Des expériences menées au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle démontrent que l'erreur est inférieure à 6 nanomètres par seconde ; il faut donc conclure que la lumière se déplace à la même vitesse, peu importe la direction de propagation (elle est donc isotrope)<ref>Modèle:Ouvrage</ref>. À la suite de cette expérience, George FitzGerald et Hendrik Lorentz proposent de façon indépendante que les appareils utilisés se contractent dans le sens du mouvement, ce qui annulerait l'effet du vent d'éther. Lorentz indique de plus que le temps d'un système en mouvement, qu'il appelle « temps local », doit aussi être modifié par le même facteur, ce qui mène à la formulation des transformations de Lorentz. En se basant sur la théorie de l'éther de Lorentz, Henri Poincaré démontre en 1900 que ce temps local (une approximation d'ordre 2 du rapport Modèle:Mvar/Modèle:Mvar) est celui indiqué par les horloges qui se déplacent dans l'éther, qui sont synchronisées en faisant l'hypothèse que Modèle:Mvar est constante. En 1904, il spécule que Modèle:Mvar pourrait être l'ultime vitesse en dynamique, à la condition que toutes les hypothèses de la théorie de Lorentz soient validées. En 1905, il démontre, en se basant sur différentes expériences, que la théorie de l'éther de Lorentz explique complètement le principe de relativité<ref>Modèle:Ouvrage</ref>,<ref>Modèle:Ouvrage</ref>.

En 1905, le physicien Albert Einstein postule que la vitesse de la lumière dans le vide, telle que mesurée par des observateurs non accélérés, est indépendante du mouvement de la source et du mouvement des observateurs. En se basant à la fois sur cette invariance et le principe de relativité, il jette les bases de la relativité restreinte, où Modèle:Mvar est élevée au rang de constante fondamentale de l'Univers, constante qui apparaît dans des contextes où la lumière ne joue aucun rôle direct. Sa théorie rend caduque la notion d'éther luminifère (hypothèse que soutiennent encore Lorentz et Poincaré) et met en avant ce qui sera appelé l'« espace-temps », une façon de représenter l'espace et le temps comme deux notions inséparablesModèle:Sfn,<ref>Modèle:Ouvrage</ref>,<ref>Modèle:Ouvrage</ref>.

Des mesures de plus en plus précises, redéfinitions du mètre et de la seconde

Modèle:Article connexe

Dans la seconde moitié du Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, des progrès techniques permettent de préciser encore plus la valeur de la vitesse de la lumière. En 1950, Louis Essen détermine que Modèle:Mvar égale Modèle:Unité en utilisant une cavité résonnante<ref name="Essen1950" />. Cette valeur est adoptée par la 12e assemblée de l'Union radio-scientifique internationale en 1957. En 1960, le mètre est redéfini en fonction de la longueur d'onde d'une ligne spectrale particulière du krypton 86. En 1967, c'est au tour de la seconde d'être redéfinie selon la fréquence de transition hyperfine de l'état fondamental du césium 133<ref name="13thCGPMr1">Modèle:Lien web</ref>.

En 1972, en utilisant des techniques d'interférométrie par laser et les nouvelles définitions, un groupe du National Bureau of Standards détermine que la vitesse de la lumière dans le vide est de Modèle:Unité. Cette mesure est 100 fois plus précise que la plus précise des mesures précédentes. L'incertitude est surtout attribuable à la définition du mètre<ref group="note">Entre 1960 et 1983, le mètre est défini ainsi : « Le mètre est la longueur égale à Modèle:Val longueurs d'onde dans le vide de la radiation qui correspond à la transition entre les niveaux 2p10 et 5d5 de l'atome de krypton 86 »Modèle:Trad,<ref name="11thCGPM">Modèle:Lien web</ref>. Dans les années 1970, des scientifiques découvrent que la raie du spectre lumineux n'est pas symétrique, ce qui augmente l'imprécision sur la largeur de la raie lorsqu'elle est calculée en se basant sur l'interférométrie<ref>Modèle:Article</ref>.</ref>,<ref name="NIST heterodyne" />. D'autres expériences ayant déterminé la même valeur de Modèle:Mvar, la 15e Conférence générale des poids et mesures (CPGM), tenue en 1975, recommande d'utiliser la valeur de Modèle:Unité pour la vitesse de la lumière<ref name="15thCGPM">Modèle:Lien web</ref>.

Définition de la vitesse de la lumière comme une constante explicite

En 1983, le 17e congrès de la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) conclut que, comparativement aux méthodes reconnues par les standards en vigueur, il est plus facile de reproduire certaines longueurs d'onde à partir de mesures de fréquences et d'une valeur connue de Modèle:Mvar. Le congrès retient la définition de 1967 pour la seconde, ce qui fait de la fréquence hyperfine du césium la base servant à définir la seconde et le mètre. Le congrès déclare que « le mètre est la longueur du trajet parcouru par la lumière dans le vide pendant l'intervalle temporel de Modèle:Sfrac seconde »Modèle:Trad,<ref name="Resolution_1">Modèle:Lien web</ref>.

En conséquence, la valeur de Modèle:Mvar est définie exactement égale à Modèle:Unité<ref name="Wheeler">Modèle:Ouvrage</ref>,<ref name="timeline">Modèle:Lien web</ref>,<ref name="penrose">Modèle:Ouvrage

Modèle:Citation étrangère</ref> et devient ainsi une constante définie dans le Système international d'unités (SI)<ref name="Jespersen" />.

La décision du congrès impose que la valeur du mètre dépende dorénavant de mesures plus précises de fréquences ou de longueurs d'onde de la lumière, par exemple en mesurant plus précisément la longueur d'onde de la transition hyperfine du krypton 86 ou de toute autre source d'ondes électromagnétiques<ref name="Adams">Modèle:Ouvrage

Modèle:Citation étrangère</ref>,<ref name="W_Rindler">Modèle:Ouvrage
Modèle:Citation étrangère</ref>.

En 2011, la CGPM déclare son intention de redéfinir les sept unités de base du SI en utilisant ce qu'elle appelle « la formulation des constantes explicites »Modèle:Trad, où chaque « unité est définie indirectement en spécifiant explicitement une valeur exacte pour une constante fondamentale bien connue »Modèle:Trad, comme il a été fait pour Modèle:Mvar<ref>Modèle:Lien web</ref>. Une nouvelle définition du mètre, complètement équivalente, est proposée : Modèle:Citation<ref group="note" name="seconde">La seconde est alors définie par la durée de Modèle:Unité de la radiation émise lors de la transition d'un électron entre deux niveaux d'énergie précis de l'atome de césium 133<ref>Modèle:Lien web</ref>.</ref>. Cette définition est inscrite dans le « SI révisé »<ref>Modèle:Ouvrage</ref>.

Rôle fondamental en physique

Modèle:Article connexe

Invariance

La vitesse à laquelle se déplace la lumière dans le vide est à la fois indépendante de la vitesse de la source et du référentiel inertiel de l'observateur<ref name=Sriranjan/>,<ref name=Inverno/>,<ref group="note">Néanmoins, à cause de l'effet Doppler, la fréquence de la lumière dépend du mouvement de la source par rapport à un observateur.</ref>. Cette invariance a été postulée par Albert Einstein en 1905<ref name="stachel">Modèle:Ouvrage</ref>, après une étude de la théorie de l'électromagnétisme de James Clerk Maxwell et du manque de preuve de l'existence de l'éther luminifère<ref>Modèle:Article

Traduit en anglais : Modèle:Lien web
Traduit en français à partir d'une version publiée par le physicien indien Meghnad Saha en 1920 : Modèle:Lien web</ref>.

Son hypothèse a été confirmée à maintes reprises par la suiteModèle:Sfn,<ref group="note">Voyez par exemple l'expérience de Michelson–Morley et l'expérience de Kennedy–Thorndike.</ref>. Il est seulement possible de vérifier expérimentalement que la vitesse d'un rayon de lumière effectuant un aller-retour (par exemple, d'une source à un miroir, et vice-versa) ne dépend pas du référentiel inertiel, parce qu'il est impossible de mesurer la vitesse de la lumière dans un seul sens (d'une source à un très lointain détecteur par exemple) sans avoir établi au préalable une convention pour synchroniser les horloges à la source et au détecteur. Toutefois, en adoptant la synchronisation d'Einstein, Modèle:Mvar dans un sens et Modèle:Mvar dans un aller-retour sont identiques par définition<ref name="Hsu2">Modèle:Ouvrage</ref>,<ref name="Zhang">Modèle:Ouvrage</ref>.

Graphique où la valeur de la variable γ commence à 1 lorsque v est nulle, demeure presque constante pour de faibles valeurs de v, puis augmente brusquement en se rapprochant d'une asymptote verticale, atteignant ainsi l'infini positif lorsque v est très près de c.
Le facteur de Lorentz γ comme fonction de la vitesse. Il commence à 1 et approche de l'infini positif lorsque Modèle:Mvar tend vers Modèle:Mvar.

La relativité restreinte, fondée par Albert Einstein en 1905, explore plusieurs conséquences de l'invariance de Modèle:Mvar. Par exemple, Modèle:Mvar est la vitesse à laquelle toutes les particules sans masse et toutes les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide<ref name="Inverno">Modèle:Ouvrage</ref>,<ref name="Sriranjan">Modèle:Chapitre</ref>. Cette théorie prédit des phénomènes contre-intuitifs, qui ont été vérifiés expérimentalement<ref>Modèle:Lien web</ref>. Parmi ceux-ci, il y a l'équivalence masse-énergie (exprimée par <math>E=mc^2</math>)<ref name="LeClerq">Modèle:Ouvrage</ref>, la contraction des longueurs<ref>Modèle:Ouvrage

Réédité par Masson (Dunod, Modèle:3e, 1997).</ref> (les objets en mouvement sont plus courts dans le sens du mouvement)<ref group="note">Pour les objets en mouvement, leur longueur est plus courte dans le sens du mouvement et ils sont aussi observés à la fois pivotés et déformés. C'est la rotation de Terrell, qui est la conséquence des temps que prennent les rayons lumineux des différentes parties d'un objet à atteindre un observateur<ref>Modèle:Article</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>.</ref> et la dilatation du temps<ref>Modèle:Ouvrage</ref> (les horloges en mouvement avancent plus lentement). Le facteur de Lorentz, noté Modèle:Mvar, permet de calculer la contraction de la longueur et la dilatation du temps d'un objet en mouvementModèle:Sfn ; il est donné par la formule Modèle:Mvar = <math>\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}</math>, où Modèle:Mvar est la vitesse de l'objet et Modèle:Mvar, la vitesse de la lumière<ref name="Giancoli">Modèle:Ouvrage</ref>.

La valeur de Modèle:Mvar est très proche de 1 aux vitesses beaucoup plus faibles que Modèle:Mvar, ce qui est le cas pour la plupart des vitesses observées dans la vie courante<ref name=Giancoli/> Modèle:Incise. Il augmente sensiblement aux vitesses dites relativistes (donc, proches de Modèle:Mvar) et tend vers l'infini positif lorsque Modèle:Mvar est très proche de Modèle:Mvar<ref>Modèle:Ouvrage (consulter le graphique)</ref>. Par exemple, le taux de contraction Modèle:Mvar d'un objet en mouvement égale 2 lorsque sa vitesse relative atteint 86,6 % de Modèle:Mvar. Par ailleurs, un taux de dilation du temps Modèle:Mvar = 10 apparaît lorsque Modèle:Nobr<ref group=note>En effet,

Les résultats de la relativité restreinte peuvent être résumés en regroupant l'espace et le temps dans une seule structure appelée « espace-temps », tout en exigeant que soit satisfaite l'invariance de Lorentz, dont la formulation mathématique comprend Modèle:Mvar<ref>Modèle:Ouvrage</ref> (elle permet de relier l'espace au temps puisque Modèle:Mvar comprend à la fois les unités de mesure de l'espace et du temps). L'invariance de Lorentz, une symétrie, est une hypothèse de base régulièrement mentionnée dans les théories physiques fondamentales modernes, telles l'électrodynamique quantique, la chromodynamique quantique, le modèle standard de la physique des particules et la relativité générale. En conséquence, Modèle:Mvar apparaît en beaucoup d'endroits en physique. Par exemple, la relativité générale prédit que Modèle:Mvar est aussi la vitesse de la gravité et des ondes gravitationnelles<ref name="Hartle">Modèle:Ouvrage</ref>,<ref group="note">En 2008, l'interprétation d'observations de systèmes binaires utilisés pour déterminer la vitesse de la gravité est mise en doute par quelques auteurs<ref name="Brügmann">Modèle:Chapitre</ref>.</ref>. Dans les référentiels non inertiels (des espaces-temps courbés par la gravité ou des référentiels accélérés), la vitesse de la lumière locale est constante et égale Modèle:Mvar. Elle peut être différente sur une trajectoire de longueur finie selon la façon dont sont définis les distances et les temps<ref name="Gibbs1997" />.

La plupart des scientifiques pense que les constantes fondamentales, telle que Modèle:Mvar, sont identiques peu importe l'espace-temps choisi. Elles seraient donc indépendantes du lieu et du temps où elles seraient calculées ou observées. Néanmoins, des scientifiques ont produit des [[Théories d'une vitesse de lumière variable|théories où Modèle:Mvar serait différente selon l'époque cosmologique]]<ref name="Ellis_Uzan">Modèle:Article

Modèle:Citation étrangère</ref>,<ref name="Mota">Modèle:Ouvrage (thèse doctorale)</ref>.

Aucune preuve concluante qui permettrait de valider ces théories n'a été trouvée jusqu'en 2013, et la recherche se poursuit<ref name="Uzan">Modèle:Article</ref>,<ref name="Camelia">Modèle:Article</ref>.

Également, Modèle:Mvar est régulièrement jugée isotrope, c'est-à-dire qu'elle a la même valeur peu importe sa direction de propagation. Les observations d'ondes émises (1) par des noyaux atomiques plongés dans un champ magnétique variable<ref>Modèle:Chapitre</ref> et (2) par des résonateurs optiques en rotation, imposent des limites strictes et très faibles sur l'imprécision d'une anisotropie en fonction de l'angle d'observation<ref name=Herrmann>Modèle:Article</ref>,<ref name="Lang">Modèle:Ouvrage</ref>.

Vitesse limite

Modèle:Loupe Selon la relativité restreinte, l'énergie d'un objet ayant une masse au repos Modèle:Mvar et une vitesse Modèle:Mvar est donnée par Modèle:Nobr, où Modèle:Mvar est le facteur de Lorentz (qui comprend le terme Modèle:Mvar). Quand Modèle:Mvar est nulle, Modèle:Mvar égale un, ce qui mène à la « fameuse équation »<ref name="David_BODANIS" /> <math>E=mc^2</math> (équivalence masse-énergie). Modèle:Mvar tend vers l'infini positif lorsque Modèle:Mvar approche de Modèle:Mvar et il faudrait une énergie encore plus grande (jusqu'à une valeur infinie) pour accélérer encore plus un objet pesant pour lui faire atteindre Modèle:Mvar. La vitesse de la lumière dans le vide est donc l'ultime limite de vitesse pour les objets en mouvement dotés d'une masse au repos positive. Les photons individuels ne peuvent voyager plus vite que cette vitesse<ref>Modèle:Lien web</ref>,<ref>Modèle:Lien web</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>. Ces hypothèses ont été confirmées expérimentalement<ref>Modèle:Ouvrage</ref>.

Fichier:Relativity of Simultaneity Animation.gif
Lignes de simultanéité: Les deux évènements A, B et C sont simultanés pour un observateur immobile par rapport aux endroits où ils se produisent. En revanche pour un observateur se déplaçant rapidement vers la droite ou vers la gauche, ils ne le sont plus. Pour l'observateur se déplaçant vers la droite à une vitesse de 0.3c, l'événement C se produit en premier

Plus généralement, il est impossible aux signaux ou à l'énergie de voyager plus vite que Modèle:Mvar. Un argument en faveur de cette position provient de la relativité de la simultanéité, l'une des conséquences de la relativité restreinte. Si la distance spatiale des évènements A et B est plus grande que l'intervalle de temps entre les deux multiplié par Modèle:Mvar, alors il existe des référentiels où A précède B, d'autres où B précède A et d'autres où les deux sont simultanés. En conséquence, si quelque chose voyageait plus vite que Modèle:Mvar relativement à un référentiel inertiel, il reculerait dans le temps relativement à un autre référentiel et la causalité serait violée<ref group="note">Des scientifiques pensent que l'effet Scharnhorst permet à des signaux de voyager un peu plus rapidement que la lumière dans le vide, mais les conditions requises pour observer de tels signaux interdisent d'utiliser cet effet pour violer la causalité<ref>Modèle:Article</ref>.</ref>,<ref name="Taylor_p74">Modèle:Ouvrage</ref>.

Dit autrement, un effet serait observé avant sa cause. Ce phénomène, qui n'a jamais été observé<ref name=Zhang/>, mènerait par exemple à l'existence d'un antitéléphone tachyonique, c'est-à-dire un hypothétique appareil qui pourrait être utilisé pour envoyer un signal dans son passé<ref>Modèle:Ouvrage</ref>. Albert Einstein en 1907<ref name="Einst">Modèle:Article</ref>,<ref name="Einsttransl">Modèle:Chapitre</ref> présente une expérience de pensée où des signaux supraluminiques pourraient provoquer un paradoxe de causalité. En 1910, Arnold Sommerfeld et Einstein le décrivent comme un moyen de « télégraphier dans le passé »Modèle:Trad,<ref>Modèle:Ouvrage</ref>. La même expérience de pensée a été décrite par Richard Tolman en 1917<ref name="tol">Modèle:Chapitre</ref> ; des scientifiques peuvent faire allusion à cet appareil en mentionnant le « paradoxe de Tolman ». Plus tard, il a été nommé « antitéléphone tachyonique »Modèle:Trad par Gregory Benford et al<ref name="ben">Modèle:Article</ref>.

Dans les domaines de la physique où Modèle:Mvar apparaît régulièrement, comme la relativité restreinte et la relativité générale, il est courant d'utiliser des systèmes d'unités naturelles de mesures ou des systèmes d'unités géométriques dans lesquelles Modèle:Nowrap<ref name="Lawrie">Modèle:Chapitre</ref>,<ref name="Hsu1">Modèle:Chapitre</ref>,<ref group="note">De cette façon, Modèle:Mvar n'apparaît pas explicitement parce que la multiplication ou la division par 1 ne modifie pas le résultat.</ref>.

Observations et expériences de vitesses supraluminiques

Modèle:Méta bandeau de section

Certaines observations laissent penser, à tort, que la matière, l'énergie ou des signaux transportant des informations se déplacent à une vitesse supérieure à Modèle:Mvar. Par exemple, tel que discuté dans la section Dans un médium ci-dessous, les vitesses de plusieurs caractéristiques d'ondes peuvent excéder Modèle:Mvar. Par exemple, les vitesses de phase des rayons X, lorsqu'ils traversent la plupart des verres, dépassent régulièrement Modèle:Mvar<ref>Modèle:Ouvrage</ref>, mais aucune vitesse de phase n'influe sur la vitesse à laquelle les ondes transportent des informations<ref>Modèle:Ouvrage</ref>.

Si un faisceau laser balaie rapidement un objet distant, la vitesse de la tache lumineuse peut se déplacer plus rapidement que Modèle:Mvar. Il y a un délai entre le moment où le faisceau initial quitte le laser et le moment où la réflexion du faisceau parvient à un observateur. Les seuls objets qui se déplacent sont le laser et le faisceau, la vitesse de ce dernier atteignant au plus Modèle:Mvar avant qu'il n'atteigne le site de réflexion. De la même façon, une ombre sur un objet lointain peut se déplacer plus rapidement que Modèle:Mvar, mais l'absence de lumière se déplace à Modèle:Mvar<ref>Modèle:Article</ref>. Dans ces deux cas, ni la matière, ni l'énergie et ni l'information ne voyagent plus rapidement que la lumière<ref name="Gibbs">Modèle:Lien web</ref>.

La vitesse de changement de la distance entre deux objets observée dans un référentiel distinct de ceux des deux objets peut dépasser Modèle:Mvar. Encore une fois, cela ne représente pas la vitesse d'un objet dans le même référentiel inertiel<ref name="Gibbs" />.

Quelques effets quantiques semblent être transmis instantanément et seraient donc plus rapides que Modèle:Mvar, comme par exemple dans le paradoxe EPR. Un exemple met en jeu les états quantiques de deux particules intriquées. Tant qu'elles ne sont pas observées, elles sont superposées dans deux états quantiques. Si les deux sont séparées et que l'état de l'une est observé, alors l'état de l'autre est déterminé instantanément. Néanmoins, il est impossible de vérifier dans quel état quantique se trouve la première particule sans l'observer au préalable ; donc, aucune information ne peut être transmise de cette façon<ref name=Gibbs />,<ref>Modèle:Ouvrage</ref>.

L'effet Hartman prédit l'existence de vitesses supérieures à Modèle:Mvar : sous certaines conditions, le temps nécessaire à une particule virtuelle de franchir une barrière grâce à un tunnel quantique est constant, peu importe l'épaisseur de la barrière<ref name="Muga">Modèle:Ouvrage</ref>,<ref name="Recami">Modèle:Ouvrage</ref>. Si la barrière est suffisamment mince, la particule virtuelle franchit la barrière à une vitesse supérieure à Modèle:Mvar. Encore une fois, aucune information ne peut être transmise ainsi<ref name="Wynne">Modèle:Article</ref>.

Des vitesses supraluminiques sont observées dans certains phénomènes astronomiques<ref>Modèle:Article</ref>, tels que les jets relativistes de radiogalaxies et de quasars. Ces jets ne se déplacent pas à une vitesse supérieure à celle de la lumière : c'est la conséquence de la projection géométrique du mouvement apparent de ces objets qui voyagent à une vitesse proche de Modèle:Mvar et qui sont observés sous un petit angle de la ligne de mire. Ces objets s'éloignent de la Terre à une vitesse relativiste ; le temps d'observation de chaque rayon successif est plus grand que le précédent<ref>Modèle:Lien web</ref>.

Selon les modèles inflationnistes de l'Univers, le plus loin se trouve une galaxie, le plus rapidement elle s'éloigneModèle:Sfn. Cette récession n'est pas la conséquence du mouvement dans l'espace, mais plutôt de l'expansion de l'UniversModèle:Sfn. Par exemple, les galaxies distantes de la Terre semblent s'en éloigner à des vitesses proportionnelles à leur distanceModèle:Sfn. Au-delà du volume de Hubble, la vitesse d'éloignement est plus grande que Modèle:Mvar<ref name="Harrison">Modèle:Ouvrage</ref>.

Propagation de la lumière

En physique classique, la lumière est considérée comme une onde électromagnétique. Dans ce cadre, le comportement du champ électromagnétique est décrit par les équations de Maxwell qui prédisent que Modèle:Mvar, vitesse à laquelle les ondes électromagnétiques (dont la lumière visible) se propagent dans le vide, est fonction de la capacité du vide et de l'inductance du vide. Ces deux caractéristiques, appelées respectivement la permittivité du vide (<math>\varepsilon_0</math>) et la perméabilité du vide (<math>\mu_0</math>), sont reliées à la vitesse de la lumière dans le vide (Modèle:Mvar) par l'équation<ref>Modèle:Ouvrage</ref> :

<math> c =\frac {1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}} \ . </math>

En mécanique quantique, approche plus moderne, le champ électromagnétique est décrit par l'électrodynamique quantique (QED). La lumière y est décrite comme une excitation fondamentale (ou quanta) du champ électromagnétique ; elle est alors composée de photons, qui sont également des particules sans masseModèle:Sfn,Modèle:Sfn.

Des extensions de QED où le photon est doté d'une masse ont été étudiées. Dans ces cadres théoriques, la vitesse du photon dépendrait de sa fréquence et l'invariant Modèle:Mvar de la relativité restreinte serait alors la limite ultime de la vitesse de la lumière dans le vide<ref name="Gibbs1997">Modèle:Lien web</ref>. Toutefois, aucune variation de la vitesse de la lumière en fonction de la fréquence n'a été observée dans des conditions de laboratoire rigoureuses<ref name="Schaefer">Modèle:Article</ref>,<ref name="Sakharov">Modèle:Article</ref>,<ref name="Füllekrug">Modèle:Article</ref>, lesquelles ont imposé des limites strictes sur la masse du photon. La limite calculée dépend du modèle utilisé : si le photon massif est décrit selon l'approche de Proca par exemple<ref name="adelberger">Modèle:Article</ref>, alors la limite supérieure expérimentale pour sa masse est de Modèle:Unité<ref name="Sidharth">Modèle:Ouvrage</ref>.

Une autre raison qui militerait en faveur de la vitesse de la lumière en fonction de sa fréquence serait l'impossibilité d'appliquer la relativité restreinte à de très petites échelles arbitraires, tel que prédit par quelques théories s'appuyant sur la gravité quantique. En 2009, l'observation de sursauts gamma provenant du système stellaire Modèle:Nobr n'a pas démontré que la vitesse du photon dépend de son énergie, ce qui impose des limites strictes aux modèles de quantification de l'espace-temps qui s'appuient sur l'idée que cette vitesse est influencée par l'énergie du photon lorsque les énergies sont proches de l'échelle de Planck<ref>Modèle:Article</ref>.

Dans un médium

Modèle:Article connexe

Un onde modulée se déplace de la gauche vers la droite. Trois points de couleur se déplacent avec l'onde modulée : un point bleu est arrimé à l'onde porteuse, un point vert est situé sur le maximum de l'enveloppe et un point rouge est attaché à l'avant de l'onde porteuse.
Le point bleu se déplace à la vitesse des ondulations, donc la vitesse de phase. Le point vert se déplace à la vitesse de l'enveloppe, donc la vitesse de groupe. Le point rouge se déplace à la même vitesse que la plus grande partie de l'impulsion, c'est-à-dire la vitesse de front.

Au moins huit vitesses différentes peuvent être utilisées pour caractériser la propagation de la lumière, à savoir : (1) la vitesse de phase, (2) la vitesse de groupe, (3) la vitesse d'énergie, (4) la vitesse de signal, (5) la constante de vitesse relativiste, (6) la vitesse de rapport d'unités, (7) la centrovitesse et (8) la vitesse de corrélation<ref>Modèle:Article</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>. Dans le vide, toutes ces vitesses sont égales à Modèle:Mvar, alors que dans un autre milieu, seule la vitesse du front d'onde conserve cette valeur. Par ailleurs, pour des fréquences différentes, les vitesses sont différentes. Dans une onde plane, chaque crête et chaque creux se propage à Modèle:Mvarp, la vitesse de phase. Un signal physique qui a une portée finie (une impulsion de lumière) voyage à une vitesse différente. La plus grande partie d'une impulsion voyage à vg, la Modèle:Lien, alors que l'autre partie voyage à Modèle:Mvarf, la vitesse de front.

La vitesse de phase est importante pour déterminer comment une onde lumineuse se propage dans un matériau ou d'un matériau à un autre. Régulièrement, cette information est décrite par l'indice de réfraction qui est défini par le rapport de Modèle:Mvar à la vitesse de phase vp du matériel (plus grand est l'indice, plus faible est la vitesse de l'onde). L'indice de réfraction dépend de plusieurs facteurs, dont la fréquence de la lumière, son intensité, sa polarisation et sa direction de propagation. Néanmoins, dans plusieurs cas, il est traité comme une quantité invariable<ref name="Podesta">Modèle:Ouvrage</ref>.

L'indice de réfraction de l'air est d'environ 1,0003<ref name=Podesta/>. Des médias plus denses, comme l'eau<ref>Modèle:Lien web</ref>, le verre<ref>Modèle:Lien web</ref> et le diamant<ref>Modèle:Lien web</ref>, présentent des indices de réfraction d'environ 1,3, 1,5 et 2,4 pour la lumière visible. Dans des matériaux exotiques, tel le condensat de Bose-Einstein maintenu à une température très proche du zéro absolu, la lumière peut se déplacer à quelques mètres par seconde. Dans ces cas, la durée prise par les atomes pour absorber puis émettre la lumière est significativement plus longue que si le processus d'absorption-émission avait été réalisé à Modèle:Tmp par exemple. Deux équipes de physiciens ont affirmé avoir complètement arrêté la lumière en la faisant passer dans un condensat de Bose-Einstein de rubidium. L'énergie de la lumière est stockée dans les atomes (qui deviennent ainsi excités), puis émise plus tard sous forme lumineuse si les atomes sont illuminés par un faisceau laser. Le comportement absorption-émission retardée est en général vrai au niveau microscopique pour tous les médiums transparents qui « ralentissent » la lumière<ref>Modèle:Lien web</ref>.

Dans les matériaux transparents, l'indice de réfraction est habituellement plus grand que 1, ce qui signifie que la vitesse de phase est plus petite que Modèle:Mvar. Dans certains matériaux, l'indice de réfraction peut être plus faible que 1 à certaines fréquences lumineuses ; dans quelques matériaux exotiques, l'indice peut être négatif<ref>Modèle:Ouvrage</ref>. L'exigence que la causalité ne soit pas violée implique que les parties réelle et imaginaire de la permittivité d'un matériau, qui correspondent respectivement à l'indice de réfraction et au coefficient d'extinction, soient reliées par les relations de Kramers-Kronig<ref>Modèle:Article</ref>. En pratique, dans un matériau qui présente un indice de réfraction inférieur à 1, l'absorption de l'onde lumineuse est si rapide qu'aucun signal ne peut être transmis plus vite que Modèle:Mvar.

Une impulsion lumineuse avec des vitesses de groupe (Modèle:Mvarg) et de phase (Modèle:Mvarp) différentes (qui survient lorsque la vitesse de phase change selon la fréquence des ondes de l'impulsion) s'étale avec le temps, un processus appelé dispersion. Quelque matériaux présentent une vitesse de groupe très faible (ou même nulle) pour les ondes lumineuses, un phénomène appelé lumière lente<ref>Modèle:Article</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>,<ref>Modèle:Lien web</ref>. L'opposé, des vitesses de groupe supérieures à Modèle:Mvar, a aussi été mis en évidence par des expériences<ref>Modèle:Article</ref>. En théorie, la vitesse de groupe pourrait être infinie ou négative, avec des impulsions voyageant instantanément ou à reculons dans le temps<ref name="MilonniCh2">Modèle:Ouvrage</ref>. Néanmoins, toutes ces possibilités ne permettent pas de transmettre de l'information à une vitesse supérieure à Modèle:Mvar. Il est en effet impossible de transmettre de l'information avec une impulsion lumineuse plus rapide que la vitesse de la première partie d'une onde, la vitesse de front. Sous certaines conditions, elle est toujours égale à Modèle:Mvar<ref name="MilonniCh2" />.

Faisceau lumineux bleu.
Effet Tcherenkov dans un réacteur nucléaire de test.

Une particule peut voyager plus rapidement que la vitesse de phase de la lumière dans un médium (cette vitesse étant toujours plus faible que Modèle:Mvar). Quand une particule chargée se propage ainsi dans un matériau diélectrique, l'équivalent électromagnétique d'une onde de choc se produit, c'est l'effet Tcherenkov<ref>Modèle:Article

Réimprimé : Modèle:Article
Réimprimé : Modèle:Ouvrage</ref>.

Dans un milieu biréfringent, la vitesse de la lumière dépend de son plan de polarisation, phénomène utilisé dans de très nombreux domaines, que ce soit la microscopie ou la fabrication de lunettes de soleil<ref>Modèle:Lien web</ref>.

Conséquences pratiques de la finitude de c

La vitesse de la lumière est importante dans le domaine des télécommunications : un aller simple et un aller-retour ne sont pas instantanés. Cette constatation s'applique à tous les objets connus dans l'Univers, que ce soit des atomes ou de lointaines galaxies. Quelques techniques s'appuient sur la finitude de Modèle:Mvar, notamment en métrologie.

À petites échelles

Armoires posées les unes à côté des autres dans une grande salle orange et blanche.
La puissance de calcul de ce superordinateur, basé au CINES à Montpellier en France, est en partie limitée par la vitesse de la lumière.

Dans les superordinateurs, la vitesse de la lumière impose une limite à la vitesse de transmission de l'information entre les processeurs. Si un processeur opère à Modèle:Unité, un signal ne peut parcourir qu'une distance d'environ Modèle:Unité par cycle. Pour une vitesse maximale de traitement, les processeurs doivent donc être logés les uns près des autres pour minimiser la latence de la communication ; cette contrainte peut réduire l'efficacité du refroidissement. Si la cadence de l'horloge du processeur augmente, la vitesse de la lumière devient alors une contrainte ferme lors de la conception d'une puce électronique<ref name="processorlimit">Modèle:Ouvrage</ref>,<ref name="processorlimit2">Modèle:Lien conférence</ref>.

Mesures de distances

Les radars mesurent la distance en calculant le temps pris par un signal pour faire l'aller-retour entre une cible réfléchissante et l'instrument de lecture<ref>Modèle:Ouvrage (consulter les pages en ligne: 4, 6 et 10)</ref> : la distance entre les deux est proportionnelle au temps multiplé par Modèle:Mvar. Un récepteur GPS calcule de même, mais en s'appuyant sur les signaux émis par plusieurs satellites GPS qui émettent en continu. Puisque la lumière parcourt environ Modèle:Unité en une seconde, les détecteurs embarqués et les calculs doivent être d'une grande précision<ref>Modèle:Lien web</ref>. Le Lunar Laser Ranging Experiment, l'astronomie radar et le Deep Space Network calculent respectivement les distances à la Lune<ref name="science265_5171_482">Modèle:Article</ref>, aux planètes<ref name="cm26_181">Modèle:Article</ref> et aux vaisseaux spatiaux<ref name="pieee95_11_2202">Modèle:Article</ref> en mesurant les temps d'aller-retour d'ondes électromagnétiques.

Longs parcours sur la Terre

Puisque la circonférence équatoriale de la Terre mesure environ Modèle:Unité<ref group="note">La Terre est une boule presque parfaite. Le rayon moyen de la Terre est de Modèle:Unité selon Luzum et al, 2011, p. 296. En appliquant la formule Modèle:Mvar, qui permet de trouver la circonférence d'une boule, on trouve C = Modèle:Unité. </ref> et que Modèle:Mvar est d'environ Modèle:Unité, la durée minimale théorique pour qu'une information atteigne le point opposé de la Terre en circulant à sa surface seulement est d'environ Modèle:Unité. Quand la lumière circule dans une fibre optique autour du globe, le temps de transit est plus long, entre autres parce que la vitesse de la lumière y est diminuée d'environ 35 %, selon l'indice de réfraction Modèle:Mvar du matériau de la fibre<ref group="note">Dans les fibres optiques, l'indice de réfraction se situe le plus souvent entre 1,518 et 1,538<ref name="Midwinter">Modèle:Ouvrage</ref>.</ref>. De plus, le signal lumineux doit être régénéré régulièrement ou encore converti en signal électronique puis optique ; ces opérations durent plus longtemps que le temps pris par la lumière pour parcourir en ligne droite la distance entre l'entrée et la sortie de l'un de ces appareils<ref>Modèle:Lien web</ref>.

Voyages spatiaux et astronomie

Le diamètre de la Lune est d'environ le quart de celui de la Terre et les deux astres sont séparés d'une distance d'environ 30 fois le diamètre de la Terre. Un rayon lumineux quitte la Terre et atteint la Lune en environ 1 seconde et quart.
Un rayon lumineux cohérent, d'un diamètre très grand, est émis de la surface de la Terre en direction de la Lune. Le début du rayon prend entre 1,2 et 1,35 seconde pour atteindre la Lune (la distance entre les deux corps célestes varie avec le temps)<ref>Modèle:Lien web</ref>. Sur le schéma, les tailles relatives de la Terre et de la Lune sont à l'échelle.

Les communications entre la Terre et un vaisseau spatial ne sont pas instantanées. Plus les deux sont éloignés, plus le délai entre l'émission et la réception d'un signal est grand. Ce délai est devenu apparent lors des communications entre le Mission Control Center de la NASA et la capsule d'Apollo 8 qui orbitait autour de la Lune (en décembre 1968) : pour chaque question, le premier devait attendre au moins Modèle:Unité avant de recevoir une réponse<ref>Modèle:Lien web</ref>. Le délai de communication entre la Terre et Mars varie entre 5 et 20 minutes selon leur position relative<ref>Modèle:Lien web</ref>. En conséquence, si un robot sur Mars éprouve un problème, son contrôleur humain ne le sait pas avant Modèle:Unité et peut-être même après Modèle:Unité. Il faudrait encore au moins de 5 à Modèle:Unité pour inciter le robot à effectuer une manœuvre corrective.

La lumière qui provient d'objets astronomiques lointains prend encore plus de temps pour atteindre la Terre. Par exemple, l'un des objets célestes de l'image Hubble Ultra Deep Field a émis de la lumière qui a parcouru l'Univers pendant Modèle:Unité d'années avant d'être détectée par le télescope spatial Hubble<ref name="Hubble">Modèle:Lien web</ref>,<ref>Modèle:Ouvrage</ref>. Cette image, construite aujourd'hui, capture l'état de cette lointaine galaxie voici Modèle:Unité d'années, quand l'Univers était âgé d'un milliard d'années<ref name=Hubble/>.

Les distances astronomiques sont parfois exprimées en années-lumière, surtout dans les ouvrages de vulgarisation et dans les médias de masse<ref>Modèle:Lien web</ref>. Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant une année, c'est-à-dire environ Modèle:Unité de kilomètres ou Modèle:Unité<ref>Modèle:Lien web (consulter la section Unit conversions)</ref>. Proxima Centauri, l'étoile la plus proche de la Terre après le Soleil, se trouve à environ Modèle:Unité<ref>Modèle:Article</ref>.

Transactions à haute fréquence

La vitesse de la lumière est d'une certaine importance dans les transactions à haute fréquence, où des courtiers tentent de gagner de petits avantages financiers en effectuant des transactions une fraction de seconde avant leurs compétiteurs. Par exemple, des courtiers préfèrent utiliser des systèmes de communication à micro-ondes, parce que ces ondes circulent presque à Modèle:Mvar alors que la lumière dans les fibres optiques voyage de 30 à 40 % moins rapidement<ref>Modèle:Article</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>.

Mesures

On peut mesurer Modèle:Mvar de plusieurs façons. Par exemple, en observant la façon dont les ondes lumineuses se propagent grâce à des instruments astronomiques. On peut la mesurer en fonction de constantes connues, telles la permittivité du vide (<math>\epsilon_0</math>) et la perméabilité du vide (<math>\mu_0</math>). On peut également calculer cette valeur en connaissant la longueur d'onde et la fréquence d'une onde lumineuse, puisque leur produit égale Modèle:Mvar.

Depuis 1983, le Système international d'unités (SI) fixe la vitesse de la lumière à exactement Modèle:Unité<ref name="Boyes">Modèle:Chapitre

Modèle:Citation étrangère</ref>,<ref name="Fundamental Physical Constants">Modèle:Lien web</ref>,<ref name="Jespersen">Modèle:Ouvrage</ref>.

En tant que constante dotée d'unités de mesure, la valeur numérique de Modèle:Mvar diffère selon le système d'unités<ref group="note" name="imperial">La vitesse de la lumière dans le système anglo-saxon et dans le système américain est basé sur le pouce ayant la valeur exacte de Modèle:Val et elle égale donc :

Modèle:Val × Modèle:Nowrap × Modèle:Sfrac Modèle:Sfrac,

qui est approximativement de Modèle:Val miles, 698 verges, 2 pieds et 5 pouces par seconde.</ref>.

La question de la constance de la vitesse de la lumière dans le vide ne peut être tranchée puisqu'il est théoriquement possible que les photons aient une masse non nulle : les mesures ne peuvent que plafonner cette masse hypothétique et non prouver qu'elle est rigoureusement nulle. Toutefois, même s'il était avéré que les photons ont une masse, cela ne remettrait pas en cause le principe de la constante Modèle:Mvar, mais donnerait plutôt une limite de précision de son observabilité dans les modèles de référence<ref>Modèle:Ouvrage</ref>.

Mesures astronomiques

Le milieu interstellaire est un lieu pertinent pour mesurer la vitesse de la lumière à cause de sa grandeur et de l'absence quasi totale d'obstacles sur de grandes distances. Historiquement, les scientifiques ont mesuré le temps de parcours de la lumière en fonction d'une distance connue dans le Système solaire, tel le diamètre de l'orbite terrestre.

Ole Christensen Rømer effectue en 1676 une mesure astronomique qui lui permet de prédire que la vitesse de la lumière est finie<ref name="cohen">Modèle:Article</ref>,<ref name="roemer">Modèle:Article

Traduit en anglais dans Modèle:Article
Article reproduit dans Modèle:Chapitre
Le rapport publié dans le Journal des sçavans est inspiré du rapport que Rømer a lu devant l'Académie des Sciences de la France en novembre 1676 (voir Modèle:Harvsp).</ref>.
Représentation de l'orbite de la Terre et de Jupiter autour du Soleil accompagné d'un graphe montrant les distances Terre-Soleil, Jupiter-Soleil et Terre-Jupiter. Les deux premières sont constantes tandis que la distance Terre-Jupiter varie en forme de sinus.
Depuis la Terre, si on observe Jupiter selon l'axe Soleil-Jupiter, une partie de Jupiter est éclairée et le reste se trouve dans l'ombre. La lune Io de Jupiter subit régulièrement une éclipse solaire parce qu'une partie de son orbite se trouve dans l'ombre de Jupiter. La période d'Io change très peu d'une année à l'autre.
Pourtant, Rømer observe que les débuts et les fins des éclipses d'Io ne correspondent pas aux heures calculées. Puisque la période orbitale de Io est invariable et que l'observation de cette lune indique que cette période varie, il faut conclure que la vitesse de la lumière est finie.
Le Soleil, la Terre et Jupiter forment un triangle dont l'angle Terre-Soleil-Jupiter peut être mesuré. De plus, les rayons des orbites terrestre et jovienne sont connus. On peut donc calculer la distance Terre-Jupiter au 120e jour de l'orbite terrestre par exemple par la loi des cosinus. Une fois cette distance connue ainsi que la différence entre le temps calculé et le temps d'observation, on peut déterminer la vitesse de la lumière, soit le rapport distance au temps.

Entre 1671 et 1673, Rømer observe une variation dans la durée de l'orbite de la lune Io de Jupiter<ref>Modèle:Chapitre</ref> et déduit que la lumière prend de 10 à 11 minutes pour parcourir le diamètre de l'orbite terrestre<ref>Modèle:Lien web (consulter l'onglet « Analyse »).</ref>,<ref>Dans son rapport à l'Académie des sciences, Rømer écrit :

« Cette seconde inégalité semble être due au fait que la lumière met un certain temps à nous parvenir depuis le satellite ; la lumière semble prendre environ dix à onze minutes [pour franchir] une distance égale au demi-diamètre de l'orbite terrestre. »
Modèle:Article</ref>.

C'est néanmoins Christian Huygens qui calcule la vitesse de la lumière à partir des observations astronomiques de Rømer et de Jean-Dominique Cassini : Modèle:Unité, probablement parce que Rømer doutait de sa capacité à pouvoir calculer la valeur numérique d'une telle grandeur et que Cassini rejetait l'hypothèse de Rømer<ref>Modèle:Article</ref>.

Une étoile distante émet un rayon de lumière qui atteint l'objectif d'un télescope. Pendant que la lumière se propage dans le télescope, il se déplace vers la droite. Pour que le rayon atteigne l'autre bout du télescope, il doit se propager sans réflexion à l'intérieure du tube, le télescope doit donc être légèrement penché vers la droite, ce qui donne l'impression que la source se trouve plus à la droite que sa position calculée.
Aberration de la lumière : un rayon de lumière d'une source lointaine semble se trouver à une position différente de celle calculée lorsqu'on l'observe avec un télescope mobile parce que Modèle:Mvar est finie.

Une autre méthode pour mesurer Modèle:Mvar est d'utiliser l'aberration de la lumière, découverte et expliquée par James Bradley au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle<ref name="Bradley1729">Modèle:Article</ref>. Cet effet s'explique par l'addition vectorielle de la vitesse de la lumière qui provient d'une source lointaine (comme une étoile) et la vitesse du télescope (voyez les explications du diagramme à la droite). Un observateur mobile voit un rayon de lumière d'une direction légèrement différente et, en conséquence, observe la source à une position décalée par rapport à sa position calculée. Cet effet est la source du mouvement apparent des étoiles dans le ciel puisque la direction de la vitesse de la Terre change continuellement (elle orbite autour du Soleil et tourne sur elle-même). En se basant sur la différence angulaire de la position des étoiles (Modèle:Unité)<ref>Modèle:Ouvrage</ref>, il est possible de déterminer Modèle:Mvar en fonction de la vitesse de la Terre autour du Soleil connaissant la durée d'une orbite terrestre complète. En 1729, Bradley détermine que Modèle:Mvar est Modèle:Val fois plus rapide que la vitesse orbitale de la Terre<ref group="note">La science moderne l'établit à Modèle:Val fois plus rapide.</ref>. De façon équivalente, il faut Modèle:Heure pour que la lumière parcourt la distance Soleil-Terre<ref name="Bradley1729" />.

Unité astronomique

Une unité astronomique (UA) est à peu près la distance moyenne entre la Terre et le Soleil. En 2012, elle a été fixée à exactement Modèle:Unité<ref name="AU_redef">Modèle:Lien web</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>. Auparavant, elle n'était pas définie selon les unités du Système international d'unités, mais selon la force gravitationnelle exercée par le Soleil dans un référentiel de mécanique classique<ref group="note">L'unité astronomique a été définie comme le rayon d'une orbite newtonienne circulaire non perturbée autour du Soleil d'une particule dotée d'une masse infinitésimale se déplaçant à une fréquence angulaire de Modèle:Unité radian par jour (environ Modèle:Frac d'une révolution terrestre)<ref>Modèle:SIbrochure8th</ref>.</ref>.

Auparavant, l'inverse de Modèle:Mvar exprimé en secondes par UA était mesuré en comparant le temps pour un signal radio à atteindre différents vaisseaux spatiaux dans le Système solaire, leur position étant calculée en fonction des effets gravitationnels du Soleil et de planètes. En calculant une moyenne de plusieurs mesures, une valeur du temps lumière par unité de distance s'obtient par meilleur ajustement. Par exemple, en 2009, la meilleure estimation, approuvée par l'Union astronomique internationale (UAI), est de<ref name="Pitjeva09">Modèle:Article</ref>,<ref name="IAU">Modèle:Lien web</ref>,<ref>Modèle:Lien web</ref> :

temps lumière par unité de distance : <math>t_{ua} = 499,004\,783\,836 \pm 10 \,\text{s}</math>
<math>c = 0,002\,003\,988\,804\,10 \pm 4 \,\text{UA/s} = 173,144\,632\,674 \pm 3 \,\text{UA/jour}.</math>

L'incertitude relative est de 0,02 parties par milliard (Modèle:Unité), équivalente à l'incertitude de la mesure terrestre d'une distance par interférométrie<ref>Modèle:Lien web</ref>. Puisque le mètre est défini comme la distance parcourue par la lumière en un certain intervalle de temps, la mesure du temps de parcours selon la définition précédente peut aussi être interprétée comme la longueur de l'UA (ancienne définition) en mètres<ref group="note">Néanmoins, à cette précision, les effets de la relativité générale doivent être pris en compte lors de l'interprétation de la longueur. Le mètre est considéré comme une unité de longueur propre, alors que l'UA est habituellement utilisée comme une unité de la longueur observée dans un référentiel donné. Les valeurs données ici suivent cette deuxième convention, et sont compatibles avec le temps dynamique barycentrique (TDB)<ref name="IAU" />.</ref>.

Temps de vol

Une photo d'un long tube traversant un champ et un diagramme et diagramme montrant un tube interrompu par plusieurs éléments dans lesquels se trouvent des miroirs.
La photo montre le montage utilisé par Albert Michelson, Francis Pease et Fred Pearson en 1930-1935 pour mesurer plus précisément Modèle:Mvar. Les scientifiques ont recours à un miroir rotatif et une tube sous vide long de Modèle:Unité (Modèle:Unité) qu'un faisceau de lumière parcourt Modèle:Unité (c'est-à-dire Modèle:Unité)<ref>Modèle:Article</ref>. Le diagramme à la droite montre quelques éléments du montage.
Un faisceau de lumière traverse horizontalement un miroir semi-teinté puis une roue dentelée en rotation, est réfléchie sur le miroir, est redirigé vers les dents de la roue, puis réfléchie à travers un miroir semi-teinté dans une lunette.
Diagramme de l'expérience de Fizeau.

Une méthode pour déterminer Modèle:Mvar est de mesurer le temps pour un faisceau lumineux d'atteindre un lointain miroir et d'en revenir, méthode qu'utilise Hippolyte Fizeau en 1849<ref>Modèle:Ouvrage.</ref>,<ref>Modèle:Article.</ref>. Le montage de Fizeau consiste en un faisceau de lumière dirigé vers un miroir à environ 8 km de la source et qui tombe sur les dents d'une roue dentelée en rotation. Lorsque cette roue atteint une certaine vitesse de rotation, le faisceau passe entre une paire de dents, est réfléchi puis passe entre la paire de dents suivante. Connaissant la distante entre la roue et le miroir, la distance entre deux dents et la vitesse de rotation, la vitesse de la lumière peut être calculée<ref name="How">Modèle:Lien web</ref>.

Léon Foucault préfère utiliser un miroir rotatif. Dans son expérience, réalisée en 1850, un faisceau de lumière tombe sur le miroir rotatif. Pendant que le faisceau se dirige vers le miroir fixe, puis est réfléchi, le miroir rotatif continue de tourner et le faisceau est réfléchi sur ce miroir rotatif à un angle différent de celui au début de son trajet. Connaissant la différence d'angle, la vitesse de rotation du miroir rotatif et la distance au miroir fixe, il est possible de calculer Modèle:Mvar<ref>Modèle:Lien web (consulter l'onglet « Actualité »)</ref>,<ref>Modèle:Lien web</ref>.

Au Modèle:S mini- siècleModèle:Vérification siècle, en utilisant un oscilloscope plus précis que la nanoseconde, Modèle:Mvar peut être déterminée en mesurant le temps pris par l'impulsion lumineuse d'un laser (ou d'une DEL) réfléchie par un miroir. La valeur obtenue est moins précise, de l'ordre de 1 %, que celles obtenues par un laboratoire proprement doté, mais elle a l'avantage de pouvoir être reproduite dans un laboratoire universitaire ordinaire<ref>Modèle:Article</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>.

En Modèle:Date-, la collaboration de physiciens travaillant sur l'expérience OPERA annonce que le temps de vol mesuré de neutrinos produits au CERN est inférieur de Modèle:Unité à celui attendu pour des particules se déplaçant à la vitesse de la lumière<ref>Modèle:Lien web (communiqué de presse).</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>. Le Modèle:Date-, la collaboration annonce que l'anomalie est en fait liée à une erreur de mesure due au branchement défectueux d’un câble de synchronisation optique des horloges atomiques, et que la vitesse mesurée des neutrinos est compatible avec celle de la lumière<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

Constantes électromagnétiques

Une façon d'obtenir la valeur de Modèle:Mvar sans s'appuyer sur des mesures en lien avec la propagation d'ondes électromagnétiques, est d'utiliser la relation entre Modèle:Mvar, la permittivité du vide (<math>\epsilon_0</math>) et la perméabilité du vide (<math>\mu_0</math>) tel que démontré par Maxwell : <math>c = 1 / \sqrt{\mu_0 \epsilon_0} </math>Modèle:Sfn,<ref>Modèle:Lien web</ref>. La permittivité peut être déterminée en mesurant la capacité électrique et les dimensions d'un condensateur, alors que la perméabilité est fixée à exactement Modèle:Unité à la suite de la définition de l'ampère. Rosa et Dorsey empruntent cette voie en 1907 et calculent Modèle:Unité<ref name="Essen1948" />,<ref name="RosaDorsey">Modèle:Article</ref>.

Cavité résonnante

Une boîte en 2D avec trois ondes. Au centre, la longueur d'onde est de 1 ; en haut, elle est de 1 et demie ; en bas, elle est d'une demie.
Schéma d'une cavité résonnante avec des ondes stationnaires dont les longueurs d'onde sont des multiples de λ.

Modèle:Mvar se calcule par la relation <math>c = f \lambda</math>Modèle:Sfn. Donc, Modèle:Mvar peut être établie si l'on mesure de façon indépendante la fréquence (<math>f</math>) et la longueur d'onde (<math>\lambda</math>) d'une onde électromagnétique dans le vide.

Une autre façon de faire est de mesurer la fréquence de résonance dans une cavité résonnante. Si les dimensions de la cavité sont connues, on peut alors trouver la longueur d'onde. En 1946, Louis Essen et A. C. Gordon-Smith établissent plusieurs modes normaux des micro-ondes dans une cavité résonnante dont les dimensions sont connues avec une incertitude de Modèle:Nobr grâce à des mesures par interférométrie<ref name="Essen1948" />. Puisque les longueurs d'onde des modes normaux sont connues grâce à l'électromagnétisme, la valeur de Modèle:Mvar peut être calculée pour plusieurs fréquences<ref name="Essen1948">Modèle:Article</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>. Le résultat d'Essen–Gordon-Smith, Modèle:Unité, est significativement plus précis que ceux obtenus par des méthodes optiques<ref name="Essen1948" />. En 1950, Essen affirme, après avoir mené une suite d'expériences, avoir obtenu Modèle:Unité pour Modèle:Mvar<ref name="Essen1950">Modèle:Article</ref>.

Une démonstration maison de cette technique peut se faire avec un four à micro-ondes et une substance fusible, telles que des guimauves ou de la margarine. Si la table pivotante est retirée de façon que l'aliment reste immobile, le four va cuire plus rapidement aux anti-nœuds (les points où l'amplitude de l'onde est la plus grande) ; donc, aux points où l'aliment fond le plus rapidement. La distance entre deux points est la moitié de la longueur d'onde des micro-ondes ; en mesurant cette distance et en multipliant par la fréquence des micro-ondes (inscrite sur la plaque signalétique du four, habituellement Modèle:Unité), la valeur de Modèle:Mvar peut être calculée « souvent avec une erreur inférieure à 5 % »Modèle:Trad,<ref>Modèle:Article</ref>,<ref>Modèle:Lien web</ref>.

Interférométrie

Un faisceau de lumière cohérente (par exemple un laser), d'une fréquence connue (<math>f</math>), est divisé en deux. Chaque partie suit un trajet différent, puis elles sont recombinées. En modifiant et mesurant avec précision la longueur d'un trajet tout en observant le motif d'interférence, la longueur d'onde (<math>\lambda</math>) peut être déterminée. La vitesse de la lumière est donnée par <math>c = f \lambda</math><ref name="Vaughan">Une présentation détaillée de l'interféromètre et de son usage pour calculer Modèle:Mvar se trouve dans :

Modèle:Ouvrage</ref>.
Schéma conceptuel décrivant l'usage de l'interférométrie pour trouver
la longueur d'onde d'une onde électromagnétique, puis Modèle:Mvar.
Schéma
Dans le schéma, les deux rectangles représentent des sources de lumière cohérente (des lasers par exemple) et les segments obliques sont des miroirs semi-transparents, alors que les segments horizontaux (en haut) et les segments verticaux sont des miroirs.

Dans la moitié gauche, un faisceau de lumière, de fréquence connue (<math>f</math>), est issu de la source cohérente. Il est en partie réfléchi vers le haut, en partie transmis à travers le miroir semi-transparent. La partie qui monte est ensuite réfléchie vers le bas par le miroir horizontal. Pour sa part, la partie de faisceau qui a traversé le miroir est réfléchie par le miroir vertical. Si la distance entre le bas du miroir oblique et le miroir horizontal est un multiple de la longueur d'onde (<math>\lambda</math>), alors les deux parties, qui sont des ondes, formeront une interférence constructive (la courbe rose dans le motif en bas à la gauche).

Dans la moitié droite, un faisceau lumineux subit les mêmes transformations, mais la distance entre le bas du miroir oblique et le miroir horizontal est un multiple de <math>\lambda</math> plus <math>\lambda / 4</math>. Les deux parties, toujours des ondes, formeront une interférence destructive (la courbe rose aplatie dans le motif en bas à la droite).

Lorsqu'il y a interférence constructive, l'observateur est illuminé par le faisceau recombiné. S'il y a interférence destructive, il ne voit que du noir.

Donc, en ajustant la longueur du trajet d'un faisceau lumineux tout en observant les motifs d'interférence, <math>\lambda</math> peut être déterminée.Avant la démocratisation des lasers, les sources d'ondes radio cohérentes ont servi à déterminer Modèle:Mvar par interférométrie<ref name="Froome1858">Modèle:Article</ref>. Toutefois, la détermination de la longueur d'onde par interférométrie devient de moins en moins précise au fur et à mesure que la longueur d'onde augmente. Dans la pratique, les expériences perdent beaucoup de précision lorsque les longueurs d'onde dépassent Modèle:Unité. La précision peut être augmentée en utilisant de la lumière de plus courte longueur d'onde, mais il devient alors difficile de mesurer directement sa fréquence. Une voie de contournement est de commencer avec un faisceau de faible fréquence pour lequel celle-ci peut être mesurée. Ensuite, synthétiser des ondes de plus grandes fréquences qui peuvent être liées au faisceau de départ. Un laser peut ensuite être syntonisé sur cette fréquence ; sa longueur d'onde est alors mesurée par interférométrie<ref name="NIST_pub">Modèle:Chapitre</ref>. Cette technique, mise au point par une équipe du National Bureau of Standards, a été utilisée en 1972 pour mesurer la vitesse de la lumière dans le vide à une précision relative de Modèle:Unité<ref name="NIST_pub" />,<ref name="NIST heterodyne">Modèle:Article</ref>.

Notes et références

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Citations originales

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Notes

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Références

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Annexes

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Bibliographie

Articles connexes

Liens externes

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