Nature de la vitesse de la lumière

[Newtonien]

Bonsoir,

Je me demande si la vitesse de la lumière est un postulat physique basé uniquement sur l'expérience. Ou s'il s'agit d'une propriété de l'espace temps un peu comme la constante d'Einstein... Et donc si la vitesse de la lumière existe indépendemment du photon, dans un vide absolu ?
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[albanxiii]

C'est vrai que le sujet n'a jamais été abordé sur le forum, et quand bien même, on ne dispose pas de fonction "recherche"...

Votre chance c'est qu'il y a toujours une bonne âme pour répéter.

[ArchoZaure]

Bonjour.

Il existe un modèle (assez ancien de 2014, je ne sais as où on en est aujourd’hui) qui postule que l'espace-temps pourrait être un superfluide.
Ça aurait dans ce cas effectivement des implications sur la nature de cette vitesse "de la lumière", qui plutôt que d'en faire un pilier fondamental dont découlerait les propriétés de l'espace-temps serait une propriété émergente d'un aspect plus fondamental.

If it is true that spacetime is a superfluid and that photons of different energies travel at different speeds or dissipate over time, that means relativity does not hold in all situations.
One of the main tenets of relativity, the Lorentz invariance, states that the speed of light is unchanging, regardless of an observer’s frame of reference.
“The possibility that spacetime as we know it emerges from something that violates relativity is a fairly radical one,” Jacobson says.
It does, however, clear a potential pathway toward rectifying some of the problems that arise when trying to combine relativity and quantum mechanics.
“Violating relativity would open up the possibility of eliminating infinite quantities that arise in present theory and which seem to some unlikely to be physically correct.”

https://www.nature.com/articles/nature.2014.15437

[Deedee81]

Salut,

Je serai cette bonne âme.
Sans aller jusqu'à des théories plus avancées (encore spéculatives) comme la gravité quantique....

Je me demande si la vitesse de la lumière est un postulat physique basé uniquement sur l'expérience. Ou s'il s'agit d'une propriété de l'espace temps un peu comme la constante d'Einstein..

Les deux mon capitaine

A la base c'est un constat expérimental. Comme toujours en physique. Forcément (la physique obéit à la Méthode Expérimentale et la théorie construite pour expliquer le monde qui nous entoure et qu'on ne peut analyser que via l'expérience).

Vu les résultats des nombreuses expériences et observations au 19e siècle (aberration stellaire, mesures directes de la vitesse de la lumière, mesure de sa vitesse dans l'eau en mouvement, expériences validant la théorie de l'électromagnétisme elle-même invariante sous les transformations de Lorentz), l'invariance (*) de la vitesse de la lumière dans le vide est devenu fin du 19e une certitude.

(*) invariant : identique pour tout observateur = dans tout référentiel, elle est aussi constante mais ça ce n'est pas capital (le son dans un air sec homogène et calme a aussi une vitesse constante). Ni sa valeur (qui est ce qu'elle est). L'important est cette invariance qui est en contradiction avec la cinématique galiléenne (newtonienne) : la vitesse d'une voiture par exemple dépend de celui qui l'observe (pour le conducteur elle vaut toujours 0, heureusement sinon il aurait du mal a rester assis sur son siège , pour lui c'est la route qui défile sous les roues de la voiture).

Deuxième étape, Einstein refusant avec raison que le monde obéisse à des lois physiques différentes selon qu'on parle d'onde électromagnétique ou de la mécanique classique, posa cette invariance comme postulat (au niveau théorique ça devient un axiome mathématique permettant l'élaboration de la théorie). Il retrouva ainsi les transformations de Lorentz sans recourir à la théorie de l'électromagnétisme.

Ensuite, la théorie conduisit à une structure de l'espace-temps (c'est-à-dire des relations en événements : leurs relations géométriques, la comparaison des instants où les événements se produisent) très particulière. Cela devint surtout clair grâce à Minkowski. Et dans cet espace-temps il existe une vitesse limite c.

Et donc si la vitesse de la lumière existe indépendemment du photon, dans un vide absolu ?

Oui.

Tout d'abord. Comme dit ci-dessus, il y a une vitesse limite. Et on montre que c'est la vitesse de tout objet de masse nulle. C'est donc vrai aussi des gluons, des gravitons (s'ils existent) et à peu de chose près des neutrinos (tellement peu qu'on ne sait pas le mesurer, leur masse est non nulle mais infime. Si on sait qu'ils sont massifs c'est à cause des oscillations des états quantiques de saveur qui ne peuvent exister que pour une particule massive).

Ensuite, les propriétés géométriques et conséquences des transformations de Lorentz s'appliquent à tout de la même manière. Un électron accéléré jusqu'à une vitesse très proche de c (dans les grands accélérateurs par exemple) a une vitesse quasi invariante. Et a contrario lorsque la lumière va moins vite (dans l'eau par exemple, ce qui permet le joli effet Tcherenkov : émission de lumière par rayonnement de freinage d'électrons allant plus vite que la lumière, c'est observé dans les piscines des centrales nucléaires : un étrange lumière bleutée ) alors sa vitesse n'est plus invariante.

Donc, ces propriétés sont fondamentales et indépendante du photon. C'est plutôt le photon qui a un comportement qui découle de ces propriétés.
Ceci dit le photon reste capital dans l'expérimentation (ou les ondes électromagnétiques an physique non quantique) : il est archi pratique et va à c (et donc idéal pour la relativité). Ce n'est pas pour rien que la relativité fut découverte grâce à la théorie de l'électromagnétisme (c'est avec ça que Lorentz a découvert ses transformations, si ce n'est que la compréhension physique fut difficile et il fallu Einstein pour comprendre, Poincaré était à un poil de fesse de mouche aussi d'y arriver d'ailleurs (**)).

(**) Tout comme Hilbert failli "battre" Einstein pour la relativité générale, ce qui força Einstein a se précipiter et publier deux fois une équation erronée avant de trouver la bonne (dite équation d'Einstein). La science est souvent une compétition amicale (enfin pas toujours, mais la plupart du temps) et beaucoup de découvertes naissent quand l'expérience tout comme les outils théoriques sont prêt et donc simultanément avec plusieurs chercheurs (pensons au calcul différentiel : Newton et Leibnitz, ou même hors physique : Darwin et Wallace, les exemples sont innombrables).

Notons que dans le vide absolu il est évidemment difficile de faire des expériences. Si tu mets un appareil, c'est plus du vide Mais tu as le vide quantique, lui on peut pas le faire disparaitre, et on a assez d'expériences prouvant ses propriétés théoriques (Casimir, effet Lamb, van der Waals). Or l'état quantique correspondant est invariant de Lorentz.

Quand à la valeur de c, elle dépend surtout du choix des unités. Ce qui est important c'est les proportions, par exemple dire "ma voiture va à un dix millionième de la vitesse limite", cela étant dû aux forces utilisées pour la mouvoir, aux lois physiques, etc...). Toute mesure est d'ailleurs une comparaison entre un phénomène/objet et un étalon (placer une latte d'écolier à coté d'une feuille par exemple).

Et aussi comme tu le sais, on est assez sûr de l'invariance de c pour l'avoir choisi comme étalon fondamental (c'est le mètre qui est déterminé à partir de c). Avec bien entendu des expériences continuelles des laboratoires de métrologie qui vérifient que tout va bien (par exemple qu'un objet d'un mètre continue à faire un mètre, sinon ce serait ennuyant ). Mais c'est très solide, non seulement expérimentalement, mais on peut aussi démontrer (par l'algèbre ou la théorie des groupes) que pour des postulats trèèèès faibles et évidents (dont le seul véritablement physique est la continuité de l'espace-temps) que les transformations de coordonnées ne peuvent obéir qu'à trois possibilités : Galilée, Lorentz et une troisième qui viole la causalité. Et on démontre aussi facilement que si on mesure avec une précision quelconque une vitesse quasi invariante alors il doit y avoir une vitesse invariante (assez proche de celle mesurée) et donc Lorentz s'applique. Ce genre de certitude théorique est assez rare (théorème CPT, théorème spin statistique, théorèmes d'impossibilités en MQ) pour s'en délecter (en tout cas moi j'adore, mais les démonstrations sont souvent fort techniques).

Bien entendu en physique on ne traite guère de la "nature des choses" qui sont plutôt du domaine de la philosophie et de la métaphysique. Mais ici la question (et ma réponse) porte surtout sur l'expérience, la théorisation et ses conséquences. Donc ça, ça reste physique.

Mais Albanxiii a raison, cela a déjà été explique des dizaines de fois sur le forum.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Nicophil]

Bonjour Didier,

Avec bien entendu des expériences continuelles des laboratoires de métrologie qui vérifient que tout va bien (par exemple qu'un objet d'un mètre continue à faire un mètre, sinon ce serait ennuyant ).

Et ça se passe bien ?

[Deedee81]

Salut,

Et ça se passe bien ?

Oui, sinon, ne t'en fait pas, on serait au courant (*)

Ils sont d'ailleurs très prudent. Lorsqu'on a changé ici récemment les étalons du kilogramme (et d'autres), il y a d'abord eut des consultations (de labos, de scientifiques, réunions, pour décider de la meilleure manière de définir l'étalon. Il y a de nombreux critères : validité et précision de certaines lois et constantes, qualité et précision des instruments, on préfère une loi physique à un objet, etc....)

Puis plusieurs labos agréés dans le monde font toute une série de mesures (avec la balance de Watt ici) selon des protocoles précis et on doit avoir suffisamment de valeurs (statistiques) et de précision (sinon ça ne vaut pas la peine évidemment). Une fois tous les résultats en main, on examine, on analyse. On établit toutes les règles d'usage (comment l'utiliser en pratique, conditions à respecter, etc.. etc...) et les étalons secondaires (éventuellement tertiaires etc.... mais normalement ça on a déjà). Puis grand messe du bureau international des poids et mesure et on entérine et on publie.

(*) c'est déjà arrivé, avec le kilogramme d'ailleurs (ce qui a justifié le changement). L'étalon était un poids en platine iridié. Sous cloche (plusieurs même) salle à t° constante, humidité cst etc.... Les rares fois où on le retirait, précautions diaboliques pour ne pas l'abimer (même sous forme d'usure), nettoyage délicat avec un solvant et une peau, etc..... Et pourtant un jour, mauvaise surprise, par comparaisons à des étalons secondaires, il y avait eut une variation indéniable (si les étalons secondaires sont d'accord entre eux et en désaccord avec le primaire, c'est le primaire qui a un soucis). Oh, pas une perte d'un gramme, bien entendu Ca se chiffrait en nanogrammes, mais vu les précisions atteintes (et souvent nécessaires) en physique, technologie, ingénierie,.... c'était inacceptable. Et le pire c'est qu'on ne sait pas pourquoi : tout a été envisagé, y compris les effets de ces rares manipulations (comme le frottement de la peau de chamois pour le nettoyage) et ça ne justifiait pas un tel écart.

Ca a fait les unes des actus scientifiques à l'époque

EDIT d'ailleurs je suppose qu'ils ont utilisé les étalons secondaires le temps que tout soit changé/réglé. Vu que le primaire était faux. C'est à vérifier ça

[ordage]

Bonsoir,

Je me demande si la vitesse de la lumière est un postulat physique basé uniquement sur l'expérience. Ou s'il s'agit d'une propriété de l'espace temps un peu comme la constante d'Einstein... Et donc si la vitesse de la lumière existe indépendemment du photon, dans un vide absolu ?

Bonjour
En relativité, une géodésique de type nul est une courbe (objet géométrique) sur une variété qui n'a pas besoin de photon pour exister. Exemple: dans la solution de Schwarzschild (dans le vide; à l'extérieur de la masse centrale) en chaque point il y a une infinité de géodésiques nulles et ceci en l'absence de toute matière et lumière. Cela fait partie de la géométrie de l'espace-temps. Si on injecte un photon, sa ligne d'univers sera décrite par une géodésique nulle.
Cordialement

[Deedee81]

Salut,

Cela fait partie de la géométrie de l'espace-temps

Bonne explication, mais précisons aussi que bien entendu ces théories (RR et RG) sont extrêmement bien validées et donc on peut considérer (jusqu'à preuve du contraire) que c'est juste.
(et le jours où ce ne sera plus valide, il y a fort à parier que ça restera valide dans une domaine de validité encore assez large. C'est rare qu'une théorie tombe totalement à l'eau du moins après un usage non négligeable).