Voir tomber la lumière expérimentalement:

[Mct92mct]

Bonjour,

Il est une expérience de physique que j'aimerais voir se réaliser avant la fin de ma vie car pour moi elle représente une véritable interrogation quant à ses résultats...

En effet, la théorie de la relativité générale est en contradiction avec la théorie de Newton sur la quantité de déviation d'un rayon lumineux perpendiculaire à un champ gravitationnel...
La théorie d'Einstein prévoit que la déviation vers le bas d'un trajet lumineux perpendiculaire au champ gravitationnel à une distance ct est de gt^2
Alors que Newton lui, prédit une chute de seulement gt^2/2

Une expérience de mesure angulaire de la déviation d' étoiles au voisinage de la gravitation du soleil à montré qu'effectivement sur un aller simple la déviation du trajet lumineux était le double que celle prévue par Newton donnant ainsi raison à Einstein...
Mais qu'en est il sur un ou plusieurs aller-retour?
La lumière tombe t'elle réellement deux fois plus vite que n'importe quel autre corps sur terre ou non?
Ceci n'est pas logique car les lois de Newton fonctionnent très bien sur terre et les lois d'Einstein et de Newton prévoient toutes les deux qu'un corps sans masse comme le photon chute à la même vitesse qu'un corps pesant.

Alors, question: La loi de la gravitation universelle de Newton est elle fausse sur terre pour les temps très courts?
Auquel cas, quel serait le facteur correctif qu'il faudrait appliquer dans le temps pour faire le lien entre ce facteur deux du début et les mesures habituelles?

Imaginons deux miroirs situés à une même altitude espacés de 10 km et parfaitement parallèle au champ gravitationnel moyen entre les deux miroirs.
Les deux miroirs ont un coefficient de réflexion de 99,5% de telle sorte qu'au bout de 1000 réflexions il reste encore 6/1000 de l'énergie lumineuse d'un laser de forte puissance.
Le temps pour parcourir ces 10 000km qui sera de l'ordre de 3,33 centièmes de seconde verra chuter la lumière de 1cm selon Einstein ou de 5mm selon Newton...
Ou... toute valeur intermédiaire entre l'une et l'autre...
Qu'en pensez vous?
Cordialement
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[phys4]

Bonjour Mct

Mais qu'en est il sur un ou plusieurs aller-retour?
La lumière tombe t'elle réellement deux fois plus vite que n'importe quel autre corps sur terre ou non?
Ceci n'est pas logique car les lois de Newton fonctionnent très bien sur terre et les lois d'Einstein et de Newton prévoient toutes les deux qu'un corps sans masse comme le photon chute à la même vitesse qu'un corps pesant.

Personne n' a jamais supposé que plusieurs aller-retour pourrait donner autre chose que la somme des déviations angulaires. Je pense que le verbe tomber pour la lumière n'est pas très approprier, quoique dans certains cas, cela ressemble à une chute.

Alors, question: La loi de la gravitation universelle de Newton est elle fausse sur terre pour les temps très courts?

La loi de Newton n'est pas plus fausse pour les temps courts, en fait elle donne les mêmes résultats que la RG, pour des vitesses faibles devant c : par exemple pour la Terre qui tourne à c/10000, l'écart est à peine mesurable. C'est au vitesses élevées qu'il y a une grande différence. Ain si la déviation pour la lumière est double parce que l'effet de distorsion du temps qui s'applique à tout, est accompagné par un effet de distorsion d'espace de même valeur.
Pour un déplacement vertical de la lumière, l'effet est identique car la courbure d'espace n'agit pas dans ce sens.

Imaginons deux miroirs situés à une même altitude espacés de 10 km et parfaitement parallèle au champ gravitationnel moyen entre les deux miroirs.
Les deux miroirs ont un coefficient de réflexion de 99,5% de telle sorte qu'au bout de 1000 réflexions il reste encore 6/1000 de l'énergie lumineuse d'un laser de forte puissance.
Le temps pour parcourir ces 10 000km qui sera de l'ordre de 3,33 centièmes de seconde verra chuter la lumière de 1cm selon Einstein ou de 5mm selon Newton...
Ou... toute valeur intermédiaire entre l'une et l'autre...
Qu'en pensez vous?
Cordialement

La déviation à la surface de la Terre est beaucoup plus faible qu'à la surface du Soleil, hors à la surface du Soleil elle est difficile à mesurer.
Sur 1000 aller-retour, ce serait peut-être possible ? je reviendrait avec le résultat, plus tard.
Mais il faut penser aux erreurs instrumentales, comment allez vous aligner les miroirs avec la précision suffisante ? La meilleure ligne droite que nous connaissons est la lumière elle même ???

A suivre.

[phys4]

Re bonjour,
Après quelques petits calculs et une relecture de votre procédure, voici quelques remarques. Le calcul de la déviation de 1cm est correcte.
Cela correspond à la mesure d'un angle de 2.10^-4 seconde d'angle.

Le procédé d'alignement des miroirs ne convient pas : les verticale des lieux à 10km d'espacement fait un angle de près de 5', des milliers de fois plus grand. En outre pour avoir une erreur négligeable après 1000 réflexions, il faudrait une précision d'alignement meilleure que 10^-7 "

L'expérience ne peut non plus se faire dans l'air, car l'effet de courbure du au gradient de pression atmosphérique ferait 1' par trajet.
Je vous laisse réfléchir aux solutions pour une telle expérience ?

[LPFR]

Bonjour.
Il y a une expérience dans laquelle on « voit » les photons gamma augmenter d’énergie avec le champ gravitationnel terrestre. Ce gain compense la perte de moment transmis au réseau cristallin. Cette récupération d’énergie est détecté grâce à l’effet Mössbauer. C’est le plus proche que me vient à l’esprit en utilisant la gravitation terrestre.
Et une hauteur de 10 m de chute suffit !
Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Mct92mct]

Bonjour LPFR...
La question était pour un déplacement de lumière perpendiculaire au champ gravitationnel et non parallèle.

[coussin]

L'effet discuté ici est pour une hypothétique onde plane qui n'existe pas en pratique. Dans les expérience de cavités optique, on utilise des miroirs sphériques et des faisceaux gaussiens. Probablement cet effet disparaît au profit de phénomènes de refocalisation propres à cette géométrie...

[phys4]

Bonjour coussin, cela revient évidemment à faire une cavité optique de 10km de long!!!

L'effet discuté ici est pour une hypothétique onde plane qui n'existe pas en pratique.

Quel est l'effet qui n'existe pas ?

[coussin]

C'est l'onde plane qui n'existe pas. Une onde plane entre deux miroirs plans n'est pas une cavité stable en pratique.

Y a les trucs pour détecter les ondes gravitationnelles là, LIGO, VIRGO, je sais plus quoi. C'est des interféromètre de Michelson avec des bras de plusieurs kilomètres.

[phys4]

En effet, ces interféromètres mesurent des variations du champ et non le champ lui-même.
Pour faire une mesure telle que prévu par l'auteur, il n'y aurait pas cumul de la déviation, car les miroirs ramèneraient le faisceau sur l'axe, il faudrait alors mesurer un écart de réglage de 2.10^-7 ", tache impossible.

L'auteur suppose l'utilisation de miroir plan en laissant le faisceau s'élargir, mais il faudrait alors une ouverture qui réduise la dispersion à une valeur inférieure à la mesure, les plus grands télescopes ne suffiraient pas.

[Mct92mct]

C'est l'onde plane qui n'existe pas. Une onde plane entre deux miroirs plans n'est pas une cavité stable en pratique.

Bonjour, je n'ai pas parlé de cavité stable puisque le signal au bout de 1000 réflexions n'est plus que 6/1000 du signal d'origine...
Cordialement

[Mct92mct]

En effet, ces interféromètres mesurent des variations du champ et non le champ lui-même.
Pour faire une mesure telle que prévu par l'auteur, il n'y aurait pas cumul de la déviation, car les miroirs ramèneraient le faisceau sur l'axe, il faudrait alors mesurer un écart de réglage de 2.10^-7 ", tache impossible.

L'auteur suppose l'utilisation de miroir plan en laissant le faisceau s'élargir, mais il faudrait alors une ouverture qui réduise la dispersion à une valeur inférieure à la mesure, les plus grands télescopes ne suffiraient pas.

Bonjour,
Sauriez vous me dire quel diamètre ferait un faisceau laser de 1mm de diamètre dans le vide à 10 000km de son lieu de départ...?
Cordialement

[coussin]

Bonjour, je n'ai pas parlé de cavité stable puisque le signal au bout de 1000 réflexions n'est plus que 6/1000 du signal d'origine...
Cordialement

Ce n'est pas ça la stabilité d'une cavité optique C'est savoir si un faisceau reste dans la cavité ou s'il s'échappe. Voir le diagramme de stabilité des cavités optiques.
Vous noterez que la cavité plan-plan est juste à la limite de la zone de stabilité. On dit qu'une cavité plan-plan est "marginalement stable". Ça signifie qu'elle est seulement théoriquement stable pour un faisceau exactement non divergent. Dans la pratique, un faisceau ne peut pas être exactement non divergent. Il suffit que le faisceau soit un tout petit chouia divergent pour que la lumière s'échappe de la cavité. C'est pourquoi dans la pratique la cavité plan-plan n'est juste pas stable.

[phys4]

Bonsoir Mct

Sauriez vous me dire quel diamètre ferait un faisceau laser de 1mm de diamètre dans le vide à 10 000km de son lieu de départ...?

L'angle de diffraction du faisceau est égal au rapport de la longueur sur l"ouverture, donc si nous considéerons une longueur d'onde de 0,5µm pour une ouverture de 1mm, cela fait un rapport 2000.
Après 10 000km, la tache de diffraction aura donc un diamètre de 5 km !

Pour garder un faisceau parallèle sur 10 000km il faudrait une optique d'ouverture 2,3 m qui donnerait un faisceau de cette largeur, beaucoup trop large pour la mesure à effectuer.

[LPFR]

...
Après 10 000km, la tache de diffraction aura donc un diamètre de 5 km !
...

Bonjour.
Faute de frappe (qui ne change pas le fond). C’est 5 m et non 5 km.
Au revoir.

[Mct92mct]

Bonjour,
Pour en revenir à ma petite expérience lumineuse...parallèlement à l'expérience faite sur la terre, j'imagine maintenant une cabine d'ascenseur dans l'espace de 10 km de large avec deux miroirs en vis à vis
Au moment où le rayon lumineux quitte la première parois l'ascenseur démarre avec une accélération de 1 g... Normalement, aucun expérimentateur ne devrait pouvoir faire la différence avec la première expérience faite sur terre...
Or, cette fois ci, on a un rayon lumineux à une altitude fixe dans l'espace et seules les parois du miroir subissent l' accélération g de la cabine...

Cette fois ci, les 1000 allers retours lumineux vont voir la cabine monter de 5mm seulement...
N'est ce pas paradoxal?

[Deedee81]

Salut,

Ce n'est pas un problème de localité ? (le fait que le principe d'équivalence n'est applicable que dans un voisinage infinitésimal, ce qui n'est plus le cas si on mesure la dévation qui est évidemment non nulle, 5 mm par exemple).
L'espace-temps n'est pas uniforme (d'ailleurs on utilise habituellement la géométrie de Minkowski, qui est sphérique, pour le calcul de la déviation en RG). Et cela a un effet suffisant pour que le principe d'équivalence ne soit plus applicable sur une distance non nulle pour la déviation des rayons lumineux.

Je m'étais déjà posé la même question que toi, dommage que je n'ait pas approfondi, j'aurais pu répondre plus précisément. Donc mon explication est à confirmer.