Vitesse de la lumière et vide (?)

[Merlin95]

Bonjour,

Je me posais une question dernièrement.on sait qu'il n'est pas possible d'associer un référentiel lié à une particule sans masse allant à la vitesse de la lumière dans le vide.

Cependant qu'appelle-t-on vide ? Est-ce que la lumière par exemple traverse le vide quantique sans en être affectée (= vitesse non modifiée allant à C) ? De plus le vide n'est pas parfait il contient notamment des champs électromagnétiques des atomes alors dans ce cas la vitesse de la lumière est-elle là aussi modifiée, cela veut-il dire qu'en pratique il est possible d'associer un référentiel au photon en question ?

Merci d'avance de vos réponses.
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[Deedee81]

Salut,

Cependant qu'appelle-t-on vide ?

L'absence de matière, quand on a tout retiré. D'un point de vue quantique c'était l'état |1> à un photon réel puisque on en a au moins un.
Parler de la vitesse d'un photon peut aussi être délicat (mécanique quantique oblige) bien que théoriquement (et l'électrodynamique quantique est super bien vérifiée) il a toujours une vitesse c même dans un milieu dense. Il est plus sensé de parler de vitesse du rayonnement électromagnétique (avec la une vitesse différence donné par l'indice de réfraction).

La présence de divers rayonnement et peut influencer mais :
- Si c'est des particules chargées, l'influence peut être notable mais c'est aussi facile à éliminer
- pour les autres (autres rayonnements EM, neutrinos...) l'influence est négligeable (physiquement, impossible à mesurer un effet sur la vitesse de propagation, déjà la diffusion est extrêmement difficile à mesurer, pour la diffusion photon-photon c'est un effet du second ordre en QED, la section efficace est rikiki)
N'oublions pas que même dans l'air dans les conditions ambiantes, l'indice de réfraction est seulement de 1.00027 (voir wikipedia par exemple)

L'impossibilité d'attacher un tel référentiel n'est pas vraiment lié aux particules mais à la vitesse. Un référentiel à c est mal défini. C'est seulement un soucis théorique, ça n'a d'autre incidence que ça. En pratique ça n'a aucun intérêt d'attacher un référentiel au photon (déjà on le fait rarement même pour des particules massives, ainsi on travail souvent dans le référentiel du centre de masse ou dans le référentiel dit du laboratoire (envoi de particules sur une cible fixe), pas dans un référentiel de la particule)

[invite18230371]

Bonjour,

Parler de la vitesse d'un photon peut aussi être délicat (mécanique quantique oblige)

Oui et je m'en tiendrais au début de cette phrase.
La vitesse d'un photon n'a aucun sens,

bien que théoriquement (et l'électrodynamique quantique est super bien vérifiée) il a toujours une vitesse c même dans un milieu dense.

J'imagine que vous parlez de la vitesse de phase ?
Ca ne dit rien du photon...

Cordialement,

[Merlin95]

D'après ce que je sais un référentiel lié à un photon ou à une onde électromagnétique allant à la vitesse de la lumière n' aucun sens. Mais si il est ralenti par un milieu, théoriquement peut-on lui attacher un référentiel puisque cette vitesse est inférieur à la constante C.

De plus le vide n'est pas vide, il y a toujours des fluctuations quantiques même minimes. Cela influe-t-il sur cette vitesse par rapport à la constante C ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

J'imagine que vous parlez de la vitesse de phase ?
Ca ne dit rien du photon...

Dans les équations la vitesse est c. Mais tu as raison, c'est la vitesse de phase et pour les photons internes aux diagrammes de Feynman ils sont hors de la couche de masse.
Enfin, c'est pas la question

De plus le vide n'est pas vide, il y a toujours des fluctuations quantiques même minimes. Cela influe-t-il sur cette vitesse par rapport à la constante C ?

Non, ça n'a pas d'influence
(même le vide polarisé, mais il faudrait peut être le confirmer, et c'est quand même un truc un peu spécial qu'on rencontre en optique quantique).

En restant dans le cadre habituel car en gravité quantique il pourrait y avoir des surprises (fluctuations de l'espace-temps, pouvant "ralentir" les ondes EM de fréquence extrêmement élevées, bien que l'étude des gamma ray burst n'aille pas dans ce sens jusqu'ici).

[coussin]

La vitesse de la lumière dans le vide est une idéalisation, toujours inatteignable. Il ne faut pas trop s'y attacher...
Pour être précis, cette vitesse correspond à la vitesse qu'aurait une onde plane dans un espace infini dénué de toute matière. On voit bien l'idéalisation...
Dans la pratique, une onde plane n'existe pas et tout courbure des plans d'onde (par exemple dans un faisceau gaussien) entraîne une différence dans la vitesse de propagation par rapport à c. Dans la pratique également, une espace infini n'existe pas. La vitesse de propagation dans un espace vide mais fini (une "boîte" de dimensions finies, quelles que soient la nature des frontières de cette boîte) est également différente de c.

[Merlin95]

Ok merci ça répond à ma question.
Mais le fait que c'est une idéalisation, ne serait-ce ce que par curiosité on pourrait imaginer de nouvelles idées, en proposant de prendre un effet un modèle pour tes approximations prises au hasard. Par exemple qu'il existe un référentiel commun à tous les photons ou ondes électro-magnétiques. En supposant qu'il n'y a pas beaucoup d'approximations et qu'il a au contraires une certaine hiérarchie.

[coussin]

Habituellement, quand on parle de référentiel "associé à quelque chose" ce qu'on veut dire est un référentiel dans lequel ce quelque chose est immobile.
Cette définition est incompatible avec les photons (Ils vont toujours à la vitesse de la lumière, ne sont jamais immobiles) et c'est dans ce sens qu'on dit qu'on ne peut pas associer de référentiel aux photons.
Ceci étant dit, rien ne vous empêche de changer la définition de "référentiel associé aux photons". On peut imaginer une infinité de définitions... Ça n'a pas d'intérêt.

[Merlin95]

En théorie ils vont à C mais pas en pratique, je l'ai déjà dit du coup il y a peut-être pour eux aussi des référentiels. C'est à dire un référentiel où ils sont immobiles. Mais ça n'amène pas forcément à quelque chose d'intéressant en effet.

[Deedee81]

Salut,

En théorie ils vont à C mais pas en pratique, je l'ai déjà dit du coup il y a peut-être pour eux aussi des référentiels. C'est à dire un référentiel où ils sont immobiles. Mais ça n'amène pas forcément à quelque chose d'intéressant en effet.

Soit les photons ont une masse (et tout semble montrer que non, aussi bien les mesures... extrêmement précises.... que le problème de l'invariance de jauge en électromagnétisme) alors on pourrait avoir un référentiel où ils sont immobiles. Bien que ce soit sans intérêt (je vais le dire assez brutalement : on s'en fout ) soit ils n'ont pas de masse et alors non on ne peut pas avoir de référentiel où le photon serait immobile puisque toute particule de masse nulle n'est jamais immobile et se déplace à la vitesse limite invariante c.

Deux autres commentaires :
- Les idéalisations en physique c'est courant, pensons au zéro absolu par exemple. Cela n'empêche par leur utilité. N'oublions pas que la physique n'est pas "la vérité révélée" ni la philosophie : elle est FAPP (for all practical prupose, pour tout usage pratique, c'est-à-dire que l'expérience et la précision des mesures fait loi).
- On peut montrer (avec des hypothèses d'une très grande généralité (*), avec de la simple algèbre ou plus élégamment avec la théorie des groupes) que si une vitesse est constaté quasi invariante (ne fut-ce qu'à la précision des mesures près) alors il doit exister une vitesse invariante (presque identique). Ce qui valide indubitablement la remarque sur l'absence de référentiel.

(*) en gros la seule hypothèse physiquement réfutable est la continuité de l'espace-temps, mais même là on peut se placer à la précision des mesures près et considérer que c'est continu

Techniquement tout ça n'est pas toujours facile mais il me semble que d'un point de vue vulgarisé, c'est tout de même assez simple. Enfin, je peux me tromper. Ce qui me semble évident ne l'est peut-être pas toujours (l'inverse est vrai aussi d'ailleurs )

[coussin]

Mentionnons également le cas des neutrinos: ils ont une masse non nulle mais tellement petite que on ne se fasse pas la tête et on dit qu'ils vont à la vitesse de la lumière
Comme quoi, faut pas trop se prendre la tête. Ici aussi et comme l'a dit Deedee, c'est le FAPP qui règne.

[Deedee81]

Mentionnons également le cas des neutrinos: ils ont une masse non nulle mais tellement petite que on ne se fasse pas la tête et on dit qu'ils vont à la vitesse de la lumière

Très bon exemple. Leur vitesse est si proche de c que même le test le plus sévère (la super novae SN1987A) donne une valeur si proche qu'on ne peut pas trancher.

Deux infos :
- On pourrait se demander pourquoi ils ne vont pas plus lentement. En fait leur masse est si faible que la moindre "pichenette" (l'énergie emportée lorsqu'ils sont émis par les processus nucléaires) ils vont à une vitesse extrêmement proche de c. Il n'est pas exclut qu'ils aillent plus lentement (notamment le rayonnement de neutrinos fossiles à 2K, non observé) mais on ne sait pas les détecter (énergie trop faible).
- Le fait que les neutrinos ont une masse vient d'une autre source : l'oscillation de la saveur des neutrinos qui (comme le montre la mécanique quantique) ne peut se produire que si leur masse est non nulle. Et cette oscillation est très bien confirmée expérimentalement.

[Merlin95]

En théorie ils vont à C mais pas en pratique

Pour des raisons d'idéalisation.

soit ils n'ont pas de masse et alors non on ne peut pas avoir de référentiel où le photon serait immobile puisque toute particule de masse nulle n'est jamais immobile et se déplace à la vitesse limite invariante c.

En gros ma question demande si en RG, une particule qui voyage en pratique dans des vitesses inférieure à C, implique 1. qu'il peut avoir un référentiel (au sens habituel). Ou alors 2. le photon étant une particule de toute façon qui va à C est la particule qui par définition est spéciale faisans qu'on peut pas lui trouver de référentiels même si en pratique il va à un peu moins que C.

Oui non oui mais ça sert à rien de dire ça etc. etc. ... Ok je suis d'accord mais la réponse est-elle d'abord 1 ou par 2 (ou autre possibilités ?), après on verra si c'est inutile de se poser la question.

[Deedee81]

Salut,

Pour des raisons d'idéalisation.

Pour le coup j'aurais plutôt dit pour des raisons liées à la mécanique quantique mais cela nous amènerait sans doute trop loin (c'est pas simple, voir ma remarque sur la couche de masse et de tels photons ne sont même pas localisés, difficile de coller un référentiel à un truc qui n'est pas à un endroit précis.... ni même une vitesse précise d'ailleurs).

En gros ma question demande si en RG, une particule qui voyage en pratique dans des vitesses inférieure à C, implique 1. qu'il peut avoir un référentiel (au sens habituel). Ou alors 2. le photon étant une particule de toute façon qui va à C est la particule qui par définition est spéciale faisans qu'on peut pas lui trouver de référentiels même si en pratique il va à un peu moins que C.

Oui non oui mais ça sert à rien de dire ça etc. etc. ... Ok je suis d'accord mais la réponse est-elle d'abord 1 ou par 2 (ou autre possibilités ?), après on verra si c'est inutile de se poser la question.

Je resterais à 2. D'abord pour la raison quantique évoquée ci-dessus ensuite parce que si la raison est l'idéalisation alors cela concerne aussi le référentiel. On n'idéalise pas à moitié (ce serait aberrant de faire ça) (*).

Ensuite parce qu'il y a une règle d'or en physique : ne pas se casser la nénette Le référentiel on le choisit comme on veut, alors si on peut faire les calculs avec le référentiel du laboratoire, inutile de se gratter pour se faire rire comme aurait dit mon prof de physique à la fac. Si on veut aller trop loin on ne fait plus de la physique mais de la métaphysique.

Autre détail : si ces comportements photoniques t'ennuient, prend le gluon ou le graviton. Eux aussi ont une masse nulle (enfin, le graviton est hypothétique mais pas le gluon)

(*) Tiens anecdote en parlant d'idéalisation. J'avais potassé l'usage de la physique statistique au cas de naine blanches (avec calcul de la limite de Chandrasekhar et tout et tout). La température de surface est de l'ordre de douze mille degrés, plus chaud que la surface de notre Soleil. Mais un petit calcul montre que les électrons sont presque tous sous le niveau de Fermi (les plus rapides ayant d'ailleurs des vitesses relativistes). Et donc, hop, on va pas s'emmerder, on fait les calculs avec T = 0K (faire le calcul au zéro absolu pour un truc aussi chaud, sans sourciller, c'est là qu'on reconnait le bon physicien )

[invite18230371]

Cependant qu'appelle-t-on vide ? Est-ce que la lumière par exemple traverse le vide quantique sans en être affectée (= vitesse non modifiée allant à C) ?

Je répondrais come ça:


Permitivité et perméabilité du vide sont mesurée avec le vide disponible, donc le vide quantique.
Donc c est bien la vitesse de la lumière dans le vide (quantique).

[Deedee81]

Je répondrais come ça:


Permitivité et perméabilité du vide sont mesurée avec le vide disponible, donc le vide quantique.
Donc c est bien la vitesse de la lumière dans le vide (quantique).

Ce que tu proposes est en rapport avec les ondes EM. Et je suis bien d'accord avec toi, vu les remarques faites plus haut c'est bien dans ce seul cadre que la question puisse avoir un certain sens (la réponse étant alors claire). Mais rien à faire, cette discussion s'est focalisée sur le photon. Merlin les a cités quatre fois (et même plus avec les évocations implicites). Donc j'ai essayé de faire ressortir la vacuité d'une telle interrogation. J'espère que ça va passer

[Merlin95]

Bon j'arrive pas à me faire comprendre. Reprenons.

Pour le vide quantique ok mais il y a d'autres idéalisations citées dans cette discussion comme par exemple le fait que l'espace n'est peut-être pas infini. On peut prendre le gluons peu importe du moment qu'on a une particule qu'on considère comme sans masse.

Par exemple, le fait que la vitesse de la lumière ou du gluon n'est pas C exactement, ne donne pas au gluon ou au photon une masse pour autant (enfin on peut se poser la même question que pour un référentiel mais il est plus intuitif de penser qu'elles n'acquiert pas de masse pour autant). De même je m'interroge sur le référentiel.

Toute particule allant à la vitesse de la lumière C ne peut avoir de référentiel car la théorie dit que c'est une vitesse limite que ne peut atteindre un objet avec une masse donc pas possible d'attacher un référentiel qui doit être matériel.

Maintenant si la vitesse de la particule (de masse nulle gluons, photons, pas gravitons j'y crois pas au graviton ) est inférieure à C il est possible de trouver un référentiel ou pas c'est à dire des objets massiques qui vont à la même vitesse puisque < C, donc un référentiel matériel.

Maintenant si l'idéalisation (ici univers infini comme cité par un intervenant dans cette discussion) s'applique aux particules sans masse, on peut supposer que pour les particule avec masse, leur vitesse doit aller un peu moins vite que la particule sans masse. Donc il est toujours impossible de trouver un repère matériel.

C'est ce raisonnement que j'attendais et je pense avoir répondu à la question par moi-même grâce à vos indications. Je voulais juste m'exprimer sur ce à quoi je pensais si vous avez des remarques elles sont bienvenues mais j'ai bien compris vos réponses en gros la vitesse de la lumière ou du gluons peut être considéré même en pratique comme une vitesse limite (même si elle va à un peu moins que C) et donc pas de référentiel possible. Vous êtes d'accord avec ce raisonnement très pragmatique ? Je sais j'ai des raisonnements bizarres j'espère que ça ne me vaudra pas d'être stigmatisé. Merci à vous.

[Deedee81]

C'est ce raisonnement que j'attendais et je pense avoir répondu à la question par moi-même grâce à vos indications.

Oui, clairement on ne se comprenait pas mais ici je ne vois pas de soucis avec ta formulation. Donc ok

Non, tes raisonnements ne sont pas bizarres (enfin, pas ici), peut-être juste un peu le manque d'habitude de parler de tel ou tel domaine. La communication est un art difficile

[invite18230371]

Moi j'ai toujours pas compris comment vous faites pour attaché une vitesse à un quantum d'énergie ?
J'ai même l'impression que pour Merlin95 vitesse de la lumière et vitesse de photon sont une même chose.
Ce qui n'est pas le cas. La première est définie clairement, l'autre n'existe pas.

La remarque sur l'espace infinie c'est juste que mathématiquement les ondes planes forme une base à partir de laquelle on traite des probleme plus complexe.
Ces ondes plane ont une vitesse de c. La vitesse de la lumière.
Que l'univers soit finit ou pas ne change rien à ça.

Et le photon n'a pas de vitesse, au mieux vous lui associerait une quantité de mouvement.

[Merlin95]

Ça n'a pas de lien avec la question je pense mais, la vitesse de la lumière c'est la vitesse de quoi alors ? Ce n'est pas la vitesse d'un photon (pas de sens, selon vous, pourquoi d'ailleurs ?), mais avant tout une constante limite indépassable intervenant dans le cadre de la RR. Peut-on parler de la vitesse pour une onde électromagnétique ou gravitationnelle ? Et il se trouve que cette vitesse est celle de la "lumière" (d'une onde électromagnétique ?), car il n'y a pas de masse associée à un photon (après je n'espère pas que vous n'êtes pas dans des subtilités qui pourraient me dépasser par mon manque de connaissances mais qui n'entrent pas dans le cadre de ma nterrogation)

Sinon oui il n'y a pas d'idéalisation autre que mathématiques nous nous sommes bien compris en tout cas en ce qui vous concerne, vous et moi.

[invite18230371]

Ce n'est pas la vitesse d'un photon (pas de sens, selon vous, pourquoi d'ailleurs ?),

Non ce n'est pas la vitesse du photon.
Le photon n'est pas une bille de lumière qui avance en ligne droite.
C'est le quanta d'énergie qu'on constate quand on fait des mesures.

Peut-on parler de la vitesse pour une onde électromagnétique ou gravitationnelle ?

On parle de vitesse de phase et de vitesse de groupe.

Et il se trouve que cette vitesse est celle de la "lumière" (d'une onde électromagnétique ?),

A vous de précisez. La vitesse de phase et de groupe va dépendre du milieu.
Entre 2 miroirs parfait, une onde stationnaire s'établit, la vitesse de phase est nulle, celle du photon n'a pas de sens en mécanique quantique.

car il n'y a pas de masse associée à un photon (après je n'espère pas que vous n'êtes pas dans des subtilités qui pourraient me dépasser par mon manque de connaissances mais qui n'entrent pas dans le cadre de ma nterrogation)

Ca me dépasse aussi, mais je pense pas que la RG soit le bon cadre pour parler des particule élémentaire.
Un objet non-quantique de masse nulle va à c -> Résultat de RG.
Un quanta n'a pas de vitesse, on ne l'observe jamais ailleurs qu'au moment de l'interaction, il n'y a pas de trajectoire, ect... -> Résultat mécanique quantique.

[coussin]

Vous semblez faire une différence fondamentale entre onde électromagnétique et photon...
Pour moi, un photon n'est qu'une onde électromagnétique d'amplitude minimale. C'est tout. En ce sens, la vitesse d'un photon est bien définie.
Vitesses de phase et de groupe n'apparaissent que pour un paquet d'onde et me semble être une complication inutile. Restons dans le cas d'une onde (ou d'un photon, je ne fais aucune différence...) parfaitement monochromatique.

[invite18230371]

Vous semblez faire une différence fondamentale entre onde électromagnétique et photon...
Pour moi, un photon n'est qu'une onde électromagnétique d'amplitude minimale. C'est tout. En ce sens, la vitesse d'un photon est bien définie.

Oui, c'est vrai je fais une différence, car je n'aime pas la notion de vitesse pour le photon. Qui pose plein de problême.
Pour moi le photon c'est l'énergie miminal de l'onde.

On peut considérer que la vitesse de groupe du paquet d'onde à du sens pour l'attachée à celle du photon, certes, mais pourquoi le faire ?
Associé la vitesse de groupe au photon reste pour moi un gros raccourci.
Je vois l'onde plus comme le résultat de la probabilité de trouver le photon.
Le photon étant cette chose qui parcours tous les chemins possibles.
Faire le raccourci, vitesse onde = vitesse photon c'est je pense très mauvais pour la vulgarisation.
C'est prendre le risque de considérer que le photon se déplace vraiment.

Par exemple, dans le cas simple de l'onde plane vous allez donc dire :

"Le photon est "partout", je n'ai aucune idée où, mais il avance bien en ligne droite à c.
Donc dans 1 secondes, il sera exactement 300 000km plus loin que là ou il est maintenant."
C'est ça qui me parait totalement faux.

Je préconise de ce limiter à dire:
L'onde plane à une énergie d'un photon.
La célérité de cette onde est c.

coussin, je pense que vous connaissait bien mieux ces choses que moi, donc vous pouvez bien le faire pour vous. Mais en terme de vulgarisation, dire que le photon a une vitesse de c, c'est courrir vers le désastre conceptuel. En revanche, leur dire que la vitesse du photon n'a aucun sens (ce qui est plus proche de la vision electrodynamique), éveillera leur curiosité et mettra des panneau danger dans leur images mentales.

[coussin]

D'accord, je comprends votre point bien que je ne le partage pas
Personnellement, ça peut être une "déformation professionnelle" : je travaille dans un labo où je côtoie de nombreux expérimentateurs d'optique quantique. Ils manipulent à longueur de journée des photons uniques et on se rend compte alors que ces photons n'ont pas grand chose d'extraordinaire...

[Merlin95]

Je ne la partage pas non plus car elle n'est pas trop en lien avec la question. Et comme je l'espérais c'est un aspect annexe à la question ou plutôt un moyen de mieux poser la questionet non d'y répondre. Je suis sûr aussi qu'on ne s'embête pas avec la subtilité importante néanmoins.

[invite18230371]

Je suis sûr aussi qu'on ne s'embête pas avec la subtilité importante néanmoins.

C'est à dire ?

Toute particule allant à la vitesse de la lumière C ne peut avoir de référentiel car la théorie dit que c'est une vitesse limite que ne peut atteindre un objet avec une masse donc pas possible d'attacher un référentiel qui doit être matériel.

Le référenciel n'est pas matériel. Par contre il est définit.
Avec notamment une origine.
Quel origine allez-vous choisir pour le référenciel attaché au photon ?

[Merlin95]

C'est à dire ?

Ce que disais coussin pour les labos.

Le référenciel n'est pas matériel. Par contre il est définit.
Avec notamment une origine.
Quel origine allez-vous choisir pour le référenciel attaché au photon ?

Le référentiel n'est pas matériel mais il doit être classique c'est a dire qu'on doit pouvoir y mesurer des quantités déterministes enfin je pense.
Dans l'expériences des fentes de Young par exemple le référentiel attaché à la source d'émission des photons.

Mais j'ai eu la réponse et elle me semble correcte je vois pas trop l'intérêt de"relancer".

[Deedee81]

Salut,

Holà, là, ça s'embrouille, ça mélange tout, ça fait de la soupe (bon, j'aime bien la soupe ceci-dit ) ("ça" collectif, j'y ai aussi contribué, je ne jette pas la pierre)
Et y a à boire et à manger dans tout ce qui a été dit sans pourtant avoir vu de trucs franchement faux, juste quelques incompréhensions.

Bon, et si on faisait plus simple en cessant totalement de parler de photons ou de trucs quantiques. Rien que des ondes électromagnétiques classiques
(P.S. Merlin, un référentiel n'est pas classique, ni quantique d'ailleurs, et s'utilise dans les deux domaines : c'est juste un repère pratique, comme pour un cartographe, et n'implique absolument rien sur le comportement des grandeurs et les grandeurs peuvent être autant aléatoires que déterministes)

Ou alors on arrête ? De toute façon Merlin a eut sa réponse. Merlin si tu veux éviter toute relance, fait moi un petit coucou et click cadenas