mardi 4 novembre 2014

Elumeen spécialiste de la lumière (suite)

A quelle vitesse la lumière se progage-t-elle ?


 On a longtemps cru que la lumière se propageait instantanément. Galilée, au début du XVIIième siècle, fut un des premiers à penser que la lumière se propageait à vitesse finie.
Il a tenté de mesurer cette vitesse en plaçant deux personnes éloignées de quelques kilomètres et munies d'horloges. Le temps mis par la lumière pour parcourir cette distance est si faible qu'il n'était pas possible de mesurer le temps de parcours.


Après la tentative infructueuse de Galilée, Olaüs Römer détermine pour la première fois un ordre de grandeur de la vitesse de la lumière en étudiant l'avance ou le retard apparent dans le mouvement des satellites de Jupiter (il étudie plus précisément l'intervalle entre deux occultations des satellites derrière la planète). Il constate que ce décalage par rapport à la théorie dépend de la distance que la lumière doit parcourir pour aller de la Terre à Jupiter. Il en déduit une première approximation de la vitesse de la lumière
D'importantes avancées sont réalisées dans la connaissance de la vitesse de la lumière. En 1849, H. Fizeau améliore la mesure de la vitesse de la lumière à l'aide d'une roue dentée occultant périodiquement la lumière (cette mesure est en fait une mesure de la vitesse de la lumière dans l'air), 


L. Foucault, en 1850, invente un dispositif de miroirs (l'un d'entre eux tourne à grande vitesse : 300 tours/seconde) et mesure grâce à celui-ci la vitesse de la lumière dans l'eau





 

En 1878, Michelson et Morley réalisent une mesure de la vitesse de la lumière précise à 50 km/h près.




 

 

Constance de la vitesse de la lumière

On sait aujourd'hui que la vitesse de la lumière dans le vide a l'avantage de constituer, d'après la théorie de la relativité, une valeur absolument fixe, universelle et indépendante de l'observateur, ce qui en fait un bon choix d'étalon de mesure. En 1983, la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide à été fixée par convention. Elle vaut, par définition, c = 299.792.458 m.s-1 qu'elle soit perçue par un objet immobile ou par un objet en mouvement. C'est un des points apparemment paradoxaux de la théorie de la relativité. Cette invariance de la vitesse de la lumière dans le vide en fait un étalon universel idéal pour définir le mètre.

Ralentir la propagation de la lumière

Nous avons vu que la lumière est une onde éléctromagnétique. Elle est donc diffusée par les atomes du milieu qu'elle rencontre et sa propagation est ralentie. Dans un milieu matériel transparent, la lumière se déplace plus lentement que dans le vide. On définit un indice n du milieu qui permet de déterminer la vitesse de propagation de l'onde dans le milieu. La vitesse v de la lumière dans un milieu d'indice n est v = c / n. L'indice n de la plupart des matériaux est assez faible : 1,0003 pour l'air, 1,33 pour l'eau et à peu près 1,5 pour le verre et 2,42 pour le Diamant.
Cet indice dépend en fait de la longueur d'onde considérée : Les différentes longueurs d'onde associées chacune à une couleur d'un faisceau de lumière polychromatique se comportent différemment à l'intérieur d'un milieu matériel. Sous certaines conditions, ces longueurs d'onde peuvent être séparées : c'est le phénomène de dispersion, responsable de l'existence des arcs en ciel ainsi que de celle de la décomposition spectrale dans un prisme.

Stopper la lumière...

Depuis quelques années, les physiciens cherchent à ralentir la lumière le plus possible, voire l'arrêter entièrement !
En 1999, à Harvard, Lene Vestergaard Hau étonne le monde entier en ralentissant la lumière à 17 mètres par seconde dans un gaz d'atomes très froid. Depuis, plusieurs équipes se sont attaquées au même objectif, tout en essayant de simplifier les dispositifs expérimentaux : réchauffement du gaz, utilisation d'un milieu solide. En se fondant sur des principes physiques qui sont légèrement différents, un autre physicien américain, Robert Boyd, a marqué un point décisif en 2003 : il est parvenu à ralentir la lumière dans un solide et à température ambiante.

L'un des principes mis en oeuvre pour "ralentir" la propagation de la lumière s'appuie sur la physique de la propagation des ondes dans les milieux matériels. Une impulsion lumineuse courte est forcément constituée d'un ensemble d'ondes de fréquences légèrement différentes. Or dans un milieu où l'indice de réfraction dépend de la fréquence, ces ondes se propagent à des vitesses différentes. Elles se superposent donc et interfèrent entre elles, recomposant une impulsion que l'on nomme aussi un « paquet d'ondes » dont la vitesse de propagation est nommée « vitesse de groupe ». Les calculs de propagation d'ondes ­ établis par les physiciens Arnold Sommerfeld et Léon Brillouin montrent que cette vitesse de groupe devient très faible lorsque l'indice de réfraction varie très fortement en fonction de la fréquence. Conclusion : pour ralentir la lumière, il faut trouver une fréquence autour de laquelle la variation de l'indice est maximale.

... Et dépasser la vitesse de la lumière

 
Alors que la théorie de la relativité affirme qu'aucun objet ne peut dépasser la vitesse de la lumière dans le vide, il est cependant possible de dépasser la vitesse de la lumière dans un milieu d'indice supérieur à 1 puisque la lumière se propage à une vitesse inférieure à c. Quand la vitesse d’une particule relativiste devient égale ou supérieure à la vitesse de la lumière dans le milieu qu'elle traverse, on constate des phénomènes analogues à ce qui se produit lorsqu'un avion dépasse le "mur du son" : provoquant un phénomène de « flash » par concentration locale de l'onde lumineuse. Ce phénomène est connus sous le nom d'effet Cherenkov.



 
L'effet Cherenkov, découvert et interprété par le physicien russe Pavel Cherenkov, lui a valu le prix Nobel en 1958. Il est possible d'observer l'emmission de lumière bleue induite par les neutrons emmis à grande vitesse par les désintégration radioactives du combustible nucléaire plongé dans l'eau.Les astronautes ont pu eux aussi observer des éclairs bleus dans leurs yeux, dus à l'effet Cherenkov : les particules cosmiques extrêmement rapidest raversant l'humeur aqueuse de l'oeil peuvent créer ainsi un effet Cherenkov détectable par nos cellules retiniènes. On n'observe pas cet effet à la surface du globe car les particules cosmiques sont ralenties ou absorbées par l'atmosphère avant d'arriver au sol.


à suivre...