Cette question peut être comprise de différentes manières. Par conséquent, il existe différentes réponses.
Y a-t-il une vitesse différente de la lumière dans l'air ou dans l'eau?
Oui. La lumière est ralentie dans les substances transparentes telles que l'air, l'eau ou le verre. Le nombre de fois où la lumière ralentit est déterminé par l'indice de réfraction (indice de réfraction) du milieu. Il est toujours supérieur à un. Cette découverte a été faite par Léon Foucault en 1850.
Lorsqu'ils parlent de «vitesse de la lumière», ils désignent généralement la vitesse de la lumière dans le vide. C'est elle qui est désignée par la lettre c.
La vitesse de la lumière est-elle constante dans le vide?
En 1983, la Conférence générale des poids et mesures (Conférence générale des poids et mesures) a adopté la définition suivante du compteur SI:
Un mètre est la longueur du trajet de la lumière dans le vide pendant 1/299 792 458 secondes
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Cela a également déterminé que la vitesse de la lumière dans le vide est exactement égale à 299792458 m / s. Réponse courte à la question "Est-ce que c est une constante": Oui, c est une constante par définition!
Mais ce n'est pas toute la réponse. Le système SI est très pratique. Ses définitions sont basées sur les méthodes de mesure les plus connues et sont constamment révisées. Aujourd'hui, pour la mesure la plus précise des distances macroscopiques, une impulsion de lumière laser est envoyée et le temps nécessaire à la lumière pour parcourir la distance requise est mesuré. Le temps est mesuré par une horloge atomique. La précision de la meilleure horloge atomique est de 1/10 13. C'est cette définition du compteur qui fournit l'erreur minimale dans la mesure de la distance.
Les définitions du système SI reposent sur une certaine compréhension des lois de la physique. Par exemple, on suppose que les particules de lumière, les photons, n'ont pas de masse. Si le photon avait une petite masse au repos, la définition du compteur dans le système SI ne serait pas correcte, car la vitesse de la lumière dépendrait de la longueur d'onde. Il ne découlerait pas de la définition que la vitesse de la lumière est constante. Il faudrait affiner la définition du mètre en ajoutant la couleur de la lumière à utiliser.
On sait par expérience que la masse d'un photon est très petite ou égale à zéro. La masse possible non nulle d'un photon est si petite qu'elle n'est pas pertinente pour déterminer le compteur dans un avenir prévisible. On ne peut pas montrer qu'il s'agit d'un zéro exact, mais dans les théories modernes généralement acceptées, il est zéro. Si, néanmoins, elle n'est pas nulle et que la vitesse de la lumière n'est pas constante, alors théoriquement il devrait y avoir une quantité c - la limite supérieure de la vitesse de la lumière dans le vide, et nous pouvons nous poser la question "cette quantité c est-elle une constante?"
Dans le passé, le mètre et le second étaient déterminés de différentes manières en fonction de meilleures techniques de mesure. Les définitions peuvent changer à l'avenir. En 1939, le second était défini comme 1/84600 de la durée moyenne d'une journée, et le mètre comme la distance entre les risques sur une tige d'un alliage de platine et d'iridium stocké en France.
Maintenant, à l'aide d'une horloge atomique, il a été établi que la durée moyenne d'un jour change. L'heure standard est spécifiée, parfois en ajoutant ou en soustrayant une fraction de seconde. La vitesse de rotation de la Terre ralentit d'environ 1/100 000 de seconde par an en raison des forces de marée entre la Terre et la Lune. Il peut y avoir des changements encore plus importants dans la longueur du mètre standard en raison de la compression du métal.
En conséquence, à ce moment-là, la vitesse de la lumière, mesurée en unités de m / s, a légèrement changé avec le temps. Il est clair que les changements de la valeur de c étaient davantage causés par les unités utilisées que par l'inconstance de la vitesse de la lumière elle-même, mais il est faux de supposer que la vitesse de la lumière est maintenant devenue constante, simplement parce qu'elle est une constante dans le système SI.
Les définitions du système SI ont révélé que pour répondre à notre question, nous devons clarifier ce que nous entendons lorsque nous parlons de la constance de la vitesse de la lumière. Nous devons définir les définitions des unités de longueur et de temps pour mesurer la quantité c. En principe, différentes réponses peuvent être obtenues lors de mesures en laboratoire et lors de l'utilisation d'observations astronomiques. (L'une des premières mesures de la vitesse de la lumière a été faite en 1676 par Olaf Roemer sur la base des changements observés dans la période d'éclipse des lunes de Jupiter.)
Par exemple, nous pourrions prendre les définitions établies entre 1967 et 1983. Ensuite, le compteur a été défini comme 1650763,73 longueurs d'onde de source de lumière rouge-orange sur le krypton-86, et le second a été défini (comme c'est le cas aujourd'hui) comme 9192631770 périodes de rayonnement correspondant à la transition entre deux niveaux hyperfins de césium-133. Contrairement aux définitions précédentes, celles-ci sont basées sur des quantités physiques absolues et sont applicables toujours et partout. Peut-on dire que la vitesse de la lumière est constante dans ces unités?
De la théorie quantique de l'atome, nous savons que les fréquences et les longueurs d'onde sont principalement déterminées par la constante de Planck, la charge de l'électron, les masses de l'électron et du noyau, et la vitesse de la lumière. Des quantités sans dimension peuvent être obtenues à partir des paramètres énumérés, tels que la constante de structure fine et le rapport des masses de l'électron et du proton. Les valeurs de ces grandeurs adimensionnelles ne dépendent pas du choix des unités de mesure. Par conséquent, la question est très importante, ces valeurs sont-elles constantes?
S'ils changeaient, cela n'affecterait pas seulement la vitesse de la lumière. Toute la chimie est basée sur ces valeurs, les propriétés chimiques et mécaniques de toutes les substances en dépendent. La vitesse de la lumière changerait de différentes manières lors du choix de différentes définitions pour les unités de mesure. Dans ce cas, il serait plus logique d'attribuer son changement à un changement de la charge ou de la masse d'un électron qu'à un changement de la vitesse de la lumière elle-même.
Des observations suffisamment fiables montrent que les valeurs de ces quantités sans dimension n'ont pas changé pendant la majeure partie de la vie de l'univers. … Voir l'article FAQ Les constantes physiques ont-elles changé avec le temps?
[En fait, la constante de structure fine dépend de l'échelle d'énergie, mais nous entendons ici sa limite basse d'énergie.]
Théorie spéciale de la relativité
La définition du mètre dans le système SI est également basée sur l'hypothèse que la théorie de la relativité est correcte. La vitesse de la lumière est une constante conforme au postulat de base de la théorie de la relativité. Ce postulat contient deux idées:
- La vitesse de la lumière ne dépend pas du mouvement de l'observateur.
- La vitesse de la lumière ne dépend pas des coordonnées dans le temps et dans l'espace.
L'idée que la vitesse de la lumière est indépendante de la vitesse de l'observateur est contre-intuitive. Certaines personnes ne peuvent même pas convenir que cette idée a du sens. En 1905, Einstein montra que cette idée est logiquement correcte si l'on abandonne l'hypothèse de la nature absolue de l'espace et du temps.
En 1879, on croyait que la lumière devait se propager à travers un milieu dans l'espace, comme le son se propage à travers l'air et d'autres substances. Michelson et Morley ont mis en place une expérience pour détecter l'éther en observant le changement de vitesse de la lumière lorsque la direction du mouvement de la Terre par rapport au Soleil change au cours de l'année. À leur grande surprise, aucun changement dans la vitesse de la lumière n'a été détecté.
Fitzgerald a suggéré que cela est le résultat d'un raccourcissement de la longueur de l'installation expérimentale lorsqu'elle se déplace dans l'éther d'une telle quantité qu'il est impossible de détecter un changement dans la vitesse de la lumière. Lorenz étendit cette idée au rythme de l'horloge et prouva que l'éther ne pouvait pas être détecté.
Einstein pensait que les changements dans la longueur et le rythme des horloges sont mieux compris comme des changements dans l'espace et le temps, plutôt que comme des changements dans les objets physiques. L'espace et le temps absolus, introduits par Newton, doivent être abandonnés. Peu de temps après, le mathématicien Minkowski a montré que la théorie de la relativité d'Einstein peut être interprétée en termes de géométrie non euclidienne à quatre dimensions, considérant l'espace et le temps comme une seule entité - l'espace-temps.
La théorie de la relativité n'est pas seulement basée sur les mathématiques, elle est également soutenue par de nombreuses expériences directes. Plus tard, les expériences de Michelson-Morley ont été répétées avec une plus grande précision.
En 1925, Dayton Miller a annoncé qu'il avait découvert des changements dans la vitesse de la lumière. Il a même reçu un prix pour cette découverte. Dans les années 1950, un examen plus approfondi de ses travaux a montré que les résultats étaient apparemment liés aux changements de température diurnes et saisonniers dans sa configuration expérimentale.
Les instruments physiques modernes pourraient facilement détecter le mouvement de l'éther s'il existait. La Terre se déplace autour du Soleil à une vitesse d'environ 30 km / s. Si les vitesses étaient ajoutées, conformément à la mécanique newtonienne, les 5 derniers chiffres de la valeur de la vitesse de la lumière, postulée dans le système SI, n'auraient aucun sens. Aujourd'hui, des physiciens du CERN (Genève) et du Fermilab (Chicago) accélèrent chaque jour des particules vers un cheveu proche de la vitesse de la lumière. Toute dépendance de la vitesse de la lumière sur le cadre de référence aurait été remarquée depuis longtemps, à moins qu'elle ne soit imperceptiblement petite.
Et si, au lieu d'une théorie sur le changement d'espace et de temps, nous suivions la théorie de Lorentz-Fitzgerald, qui suggérait que l'éther existe, mais ne peut pas être détecté en raison des changements physiques de la longueur des objets matériels et de la vitesse de l'horloge?
Pour que leur théorie soit cohérente avec les observations, l'éther doit être indétectable avec une horloge et une règle. Tout, y compris l'observateur, se contracterait et ralentirait exactement de la quantité requise. Une telle théorie pourrait faire les mêmes prédictions pour toutes les expériences que la théorie de la relativité. Alors l'éther serait une entité métaphysique, à moins qu'ils ne trouvent un autre moyen de le détecter - personne n'a encore trouvé un tel moyen. Du point de vue d'Einstein, une telle entité serait une complication inutile, il vaudrait mieux la retirer de la théorie.
Théorie générale de la relativité
Einstein a développé une théorie plus générale de la relativité, qui expliquait la gravité en termes de courbure de l'espace-temps, et il a parlé du changement de la vitesse de la lumière dans cette nouvelle théorie. En 1920, dans le livre Relativity. La théorie spéciale et générale », écrit-il:
… Dans la théorie générale de la relativité, la loi de constance de la vitesse de la lumière dans le vide, qui est l'une des deux hypothèses fondamentales de la théorie de la relativité restreinte, […] ne peut être inconditionnellement valide. La courbure d'un rayon de lumière ne peut être réalisée que lorsque la vitesse de propagation de la lumière dépend de sa position.
Comme Einstein parlait d'un vecteur de vitesse (vitesse et direction), et pas seulement de vitesse, il n'est pas clair s'il voulait dire que l'ampleur de la vitesse change, mais la référence à la relativité restreinte dit que oui, il l'a fait. Cette compréhension est absolument correcte et a une signification physique, mais conformément à l'interprétation moderne, la vitesse de la lumière est constante dans la théorie générale de la relativité.
La difficulté ici est que la vitesse dépend des coordonnées, et différentes interprétations sont possibles. Pour déterminer la vitesse (distance parcourue / temps écoulé), nous devons d'abord choisir des normes de distance et de temps. Différentes normes peuvent donner des résultats différents. Ceci est applicable à la théorie de la relativité restreinte: si vous mesurez la vitesse de la lumière dans un référentiel accéléré, alors dans le cas général, elle diffère de c.
En relativité restreinte, la vitesse de la lumière est une constante dans tout référentiel inertiel. En relativité générale, une généralisation appropriée est que la vitesse de la lumière est une constante dans tout cadre de référence tombant librement dans une région suffisamment petite pour négliger les forces de marée. Dans la citation ci-dessus, Einstein ne parle pas d'un cadre de référence en chute libre. Il parle d'un référentiel au repos par rapport à la source de gravité. Dans un tel cadre de référence, la vitesse de la lumière peut différer de c en raison de l'influence de la gravité (courbure de l'espace-temps) sur l'horloge et la règle.
Si la théorie générale de la relativité est correcte, alors la constance de la vitesse de la lumière dans un référentiel inertiel est une conséquence tautologique de la géométrie de l'espace-temps. Un déplacement à la vitesse c dans un référentiel inertiel est un déplacement le long d'une ligne droite du monde à la surface d'un cône lumineux.
L'utilisation de la constante c dans le système SI comme coefficient de connexion entre le mètre et le second est pleinement justifiée, à la fois théoriquement et pratiquement, car c n'est pas seulement la vitesse de la lumière - c'est une propriété fondamentale de la géométrie spatio-temporelle.
Comme pour la relativité restreinte, les prédictions de la relativité générale ont été confirmées par de nombreuses observations.
En conséquence, nous arrivons à la conclusion que la vitesse de la lumière est constante, non seulement en fonction des observations. À la lumière de théories physiques éprouvées, il n'a même pas de sens de parler de son inconstance.