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Et si nous faisions un point complet sur la Lumière ?

Par Yann le 08/12/2017 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Optique > La Lumière

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Propagation de la lumière dans le vide

Historique

Si Galilée avait déjà compris que la lumière se déplaçait à une vitesse infinie, la première estimation de la vitesse de la lumière date du XVIIème siècle.

C’est l’astronome Ole Römer, en observant un retard dans la révolution des satellites de Jupiter qui comprend que ce retard provient du fait que la lumière ne nous parvient pas instantanément et qu’elle est liée à la distance.

Cette première estimation est proche de la véritable vitesse de la lumière puisque Ole Römer estime cette vitesse à 200 000 km/s.

Au cours du XIXème siècle, de nombreux scientifiques vont essayer de mesure précisément la vitesse de la lumière en utilisant différentes méthodes comme par exemple à l’aide d’une roue dentée ou d’un dispositif de miroirs. Ce sont Michelson et Morley qui s’approchent le plus de la vitesse de la lumière.

En 1978, c’est Roods, Shotton et Rowley qui déterminent précisément la vitesse de la lumière et se rapprochent le plus du calcul définitif de la vitesse de la lumière, donnée en 1983 par la conférence générale des poids et mesures.

Qu’est ce que la propagation de la lumière ?

La lumière est une onde électromagnétique qui se déplace par propagation. La lumière se propage ainsi dans tout milieu transparent. La lumière se propage toujours en ligne droite : on dit que sa propagation est rectiligne.

Très souvent, on schématise la lumière ou plus précisément un rayon de lumière par une droite avec une flèche. Le faisceau de lumière est quant à lui schématisé par un ensemble de droites avec des flèches.

Le caractère rectiligne de la propagation de la lumière est visible dans la vie de tous les jours (en regardant par exemple la trajectoire de faisceaux lumineux de spectacles). En réalité, chaque point d’une source lumineuse envoie la lumière dans toutes les directions suivant des chemins rectilignes.

Comment la lumière se propage-t-elle ? Les faisceaux de lumière sont rectilignes

Vitesse de la lumière dans le vide

Contrairement à d’autres ondes élastiques, la lumière n’a pas besoin de milieu matériel pour se propager.

L’exemple le plus parlant  est celui des astronautes  : ces derniers peuvent se filmer mais aucun son ne peut se propager !

Dans le vide la lumière se propage toujours en ligne droite. Sa vitesse, aussi appelée célérité, se note c avec :

c = 3,00 x 108 m.s-1 ou c = 3,00 x 105 km.s-1

Le saviez-vous ? La vitesse de la lumière est fixée très exactement à 299 792 458 m/s. Cette valeur est fixée depuis plus de 30 ans par le bureau international des poids et mesures.

Propagation de la lumière dans la matière

La lumière peut également se propager dans les milieux transparents mais avec une vitesse inférieure à celle qu’elle possède dans le vide.

Cependant, dans certains milieux comme l’air, la différence est tellement faible que l’on peut considérer que sa vitesse ne change pas.

La propagation est également rectiligne dans un milieu transparent à condition que ce dernier soit homogène c’est à dire qu’il possède en tous points les même propriétés physiques (température et pression) et la même composition chimique. Si le milieu n’est pas homogène, la trajectoire de la lumière n’est pas rectiligne et cela peut donner des courbures. (à l’origine par exemple du phénomène de mirages).

Le tableau ci-après donne la valeur de la vitesse de la lumière en fonction du milieux rencontré :

MilieuVitesse
Vide299 792 km/s
Eau224 839 km/s
Diamant123 932 km/s

Note : la lumière ne peut se propager dans des milieux opaques. (comme par exemple les milieux sous marins très profonds).

Peut on dépasser la vitesse de la lumière ?

Selon la théorie de la relativité d’Albert Einstein, il est impossible de dépasser la vitesse de la lumière dans le vide…

Selon cette théorie, la masse et la vitesse de la lumière sont liées par cette équation devenue célèbre :

    \[E=mc^ {2}\]

  • E représentant l’énergie exprimée en Joules,
  • m la masse exprimée en kg
  • et c la vitesse de la lumière appelée célérité exprimée en m/s).

En effet, un objet disposant d’une masse ne peut se déplacer à la vitesse de la lumière ou au dessus de celle-ci car cela demande une énergie infinie qui demande à son tour une masse infinie elle aussi. Ainsi seuls les photons qui n’ont pas de masse peuvent voyager à la vitesse de la lumière.

Cependant, un physicien russe Pavel Tcherenkov, qui fut prix Nobel de physique, montra qu’une particule pouvait se déplacer plus vite que la lumière dans un autre milieu. Quand une particule se déplace à une telle vitesse, elle émet un rayonnement bleuté appelé effet Tcherenkov.

Ce phénomène peut être utilisé en astronomie pour étudier des particules cosmiques mais est également à l’origine de la lumière bleue présente dans les piscines de refroidissement des centrales nucléaires.

Pourquoi l'eau des piscines nucléaires est bleue ? Au cœur d’une centrale nucléaire

Pour plus d’informations :

http://www.cea.fr/multimedia/Documents/infographies/Defis-du-CEA-infographie-Effet-Tcherenkov.pdf

A noter : les vitesses se rapprochant le plus de la vitesse de la lumière sont obtenues dans des accélérateurs de particules dont les plus connus sont :

  1. Le grand collisionneur de hadrons en suisse. C’est à ce jour le plus grand collisionneur de particules du monde, il a notamment pu confirmé la présence du célèbre boson de Higgs.
  2. Le Tevatron aux Etat-Unis, qui est le deuxième plus grand collisionneur de particules au monde.

Peut on arrêter la lumière ?

On ne peut pas « emprisonner » la lumière : c’est pourtant ce que des scientifiques ont réussi a faire pendant quelques instants en piégeant la lumière dans un cristal particulier, grâce à un phénomène appelé  » transparence induite électromagnétiquement (TIE) »!

Le temps de la propagation de la lumière

A l’échelle humaine la propagation de la lumière est si rapide qu’elle nous semble instantanée. En effet, pour parcourir trois mètres il faut à la lumière un temps t :

t=\frac{3}{3\times 10^{8}}

Soit t  = 10-8 s ce qui correspond à 10 milliardièmes de seconde.

Cependant à l’échelle astronomique le temps de propagation est plus important car les distances parcourues sont beaucoup plus grandes.

Par exemple le Soleil étant à une distance de 1,5 x 108 km de la Terre la propagation de la lumière dure :

t=\frac{1,5\times 10^{8}}{3\times 10^{-5}}

Il faut donc à la lumière du Soleil plus de 8 minutes pour nous parvenir.

Nous n’observons donc pas le Soleil tel qu’il existe, mais tel qu’il était il y a huit minutes. Pour les étoiles qui sont beaucoup plus lointaines la durée est encore plus importante et se chiffre au minimum en années. Ainsi la lumière qui provient de Proxima du Centaure (la plus proche du Soleil) met plus de 4 ans pour nous parvenir.

La lumière que nous recevons des étoiles nous les montre telles qu’elles étaient il y a des années, voire des siècles, des millénaires ou des millions d’années et non telles qu’elles sont actuellement.

Plus les astres que nous observons sont lointains plus l’image que nous en recevons est ancienne.

Dans l’univers, observer loin dans l’espace revient à observer loin dans le passé.

L’année lumière

A l’échelle astronomique le kilomètre est une unité de longueur qui devient peu adaptée et l’on utilise souvent une autre unité : l’année lumière (symbole a.l )

Définition : l’année lumière correspond à la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année.

Valeur de l’année-lumière en kilomètres

Il suffit d’utiliser la définition de l’année-lumière et la relation d=v\times t

Ici :

  • v = 3 x 105 km.s-1
  • t = 1 ans

Le temps doit être converti en seconde

  • t = 365,25 x 24 x 60 x 60
  • t = 3,1558 x 107 s
  • d = 3 x 105  x 3,1558 x 107
  • d = 9,47 x 1012 km
  • Donc 1 a.l = 9,47 x1012 km

Ainsi, l’étoile Proxima de Centaure est à une distance de 4,3 a.l.

Notre galaxie possède un diamètre d’environ 100 000 a.l !

Andromède, la galaxie la plus proche de la notre est située quant à elle à une distance de 2 200 000 a.l.

Le paradoxe de Fermi et les voyages dans l’espace

Enrico Fermi est un physicien italien à l’origine du paradoxe de Fermi. Impliqué dans le projet Manhattan, il fut lauréat du prix Nobel en 1938 pour ses travaux sur des éléments radioactifs.

Alors que celui-ci débattait avec ses amis de la possibilité de la vie extraterrestre, il se posa la question de savoir pourquoi l’humanité n’avait pas encore trouvé de traces de civilisations extraterrestres. En effet, notre galaxie compte des milliards de planètes.

Même si l’apparition de la vie est conditionnée par plusieurs paramètres il est possible que sur une fraction d’entre elles la vie ai pu apparaître, se développer et arriver à un niveau technologiquement élevé. Si on considère que les civilisations puissent voyager à une fraction non négligeable de la vitesse de la lumière, alors la colonisation de notre galaxie aurait déjà du être réalisée puisqu’elle aurait pris moins de 10 millions d’années.

Ce qui est très peu quand on compare cette valeur à l’âge de la voie lactée (âgée environ de 13 milliards d’années). Or nous n’en avons aucune trace !

Pourra-on-un jour voyager à la vitesse de la lumière ? Jusqu’à quelle vitesse peut-on voyager dans l’espace ?

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