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Plus Vite que la Lumière

ET SI... On allait Plus Vite que la Lumière ?

SCIENCE & VIE JUNIOR N°326 > Novembre > 2016

 La Vitesse de l'Ombre est capable de Dépasser celle de la Lumière

La théorie de la relativité d'Einstein est formelle : rien dans l'univers ne peut se propage plus vite que la lumière, dont la vitesse dans le vide est de 300 000 km par seconde.

Pour autant, imaginons un sémaphore projetant une ombre mouvante à l'aide d'un cache et tournant à raison d'un tour par seconde. Et plaçons un écran circulaire autour du sémaphore afin d'observer le mouvement de cette ombre. Si l'écran se trouve à 10 m du phare, sa circonférence sera d'environ 60 m. Distance que la tâche parcourra en une seconde, soit la vitesse de 60 m par seconde. Mais imaginons maintenant que l'écran se trouve à 100 000 km de la source lumineuse. Sa circonférence est alors de 6000 km. Le sémaphore tournant toujours la même vitesse, cela signifie que l'ombre se meut sur l'écran à la vitesse de 600 000 km par seconde... Soit deux fois la vitesse de la lumière ! Deux solutions. Soit ce raisonnement ne tient pas, soit la relativité est prise en défaut. Or le résultat de l'expérience de l'ombre projetée par le sémaphore est incontestable ! Le Grand Albert doit-il alors manger son chapeau ? Pas le moins du monde. Tout simplement parce que le principe fondamental de la relativité précise qu'il s'applique à des corps matériels, ou à tout système transportant une information. à n'en pas douter, l'ombre portée par le sémaphore n'a rien de matériel. Mais ne pourrait-on pas s'en servir pour transmettre une information, plus que la lumière, entre deux observateurs A et B situés en deux points de l'écran ? De fait, on peut très bien insérer dans le sémaphore un cadre en forme de message (le chiffre 3 par exemple). Le message "3" passera alors de A à B plus vite que la lumière. Mais cette information est envoyée par un opérateur C qui positionne le cache. Or C, pour communiquer avec A et B, est tributaire de la vitesse finie de propagation de la lumière entre le phare et l'écran. Pour le dire autrement, si A vous les transmettre l'information à B, via l'ombre portée par le sémaphore, il devrait d'abord en informer C, qui insérerait alors devant la source lumineuse le cache ad hoc. Et aucune information ne serait transmise plus vite que la lumière. Einstein avait raison : aucune matière ni information ne voyage plus vite que la lumière. Ce qui n'interdit pas à l'ombre, qui n'est finalement rien, d'aller aussi vite qu'elles le souhaitent.

M.G. - SCIENCE & VIE > Août > 2010

 Comment sait-on que la Vitesse de la Lumiere est Constante ?

En fait, on n'est pas sûr qu'elle le soit ! Certes, l'expression bien connue "la vitesse de la lumière est constante" résume l'une des plus profondes leçons de la physique du XX siècle ; mais elle se fonde sur des expériences et des théories, en aucun cas sur des certitudes...

Pis, cette expression est fausse dans l'absolu, puisque la vitesse de la lumière varie suivant le milieu qu'elle traverse : elle est quasiment la même dans le vide que dans l'air (environ 300 000 kilomètres par seconde), mais n'est plus que de 225 000 km/s dans l'eau, et descend jusqu'à 125 000 km/s dans un diamant... En 2000, en la faisant traverser un gaz de sodium extrêmement froid, Lene Vestegaard Hau, une physicienne danoise du Rowland Institute for Science, l'a même ralentie à une vitesse de 1,5 km/h, avant de réussir, l'année suivante, à la stopper net ! Il faut donc être précis : ce qu'affirme la physique moderne, c'est que la vitesse de la lumière est constante dans le vide.
La Terre, elle, file à environ 29 km/s sur son orbite autour du Soleil.

SCIENCE & VIE > Mai > 2005

 Y a-t-il des Particules Plus Rapides que la Lumière ?

"Rien ne peut aller plus vite que la lumière", ne cesse-t-on de nous répéter. Et pourtant, cette affirmation est fausse !

Pour comprendre, il faut en revenir à la théorie de la relativité, qui impose de respecter deux principes. Premièrement, aucune interaction (information, énergie...) ne peut être transmise plus rapidement qu'une vitesse limite, notée c dans l'équation E=mc². Dépasser cette limite aurait pour conséquence que les effets (la réception d'une onde) précéderaient les causes (l'émission de cette onde), ce qui est impossible. Deuxièmement, aucune particule massive ne peut atteindre cette vitesse limite c, car elle aurait besoin, pour y parvenir, d'une énergie infinie, qu'elle ne peut obtenir dans notre Univers. Du coup, seul un objet qui aurait une masse nulle pourrait atteindre cette limite. Il n'en existe qu'un : le photon, la particule de la lumière. Et encore ne peut-il atteindre cette vitesse de 300 000 km/s que dans le vide.

DANS L'EAU, TOUT CHANGE : Cependant, cette théorie n'interdit pas, dans certaines conditions, de se déplacer plus vite que la lumière. Par exemple, dans l'eau. C'est l'effet Tcherenkov, phénomène responsable de la couleur bleutée qui se dégage de la piscine d'un réacteur nucléaire. Le réacteur émet des particules nucléaires dont chacune émet une onde lumineuse sphérique. Or, ces particules peuvent se déplacer à une vitesse supérieure à celle de la lumière qu'elles émettent dans l'eau. Lorsqu'elles rattrapent leurs ondes lumineuses, un flash bleu se produit (l'équivalent lumineux du franchissement du mur du son). Mais cette question faisait peut-être écho à l'existence théorique de particules, les tachyons, dont la vitesse minimale serait celle d'un photon dans le vide. Il s'agit de pures constructions mathématiques, utilisant les nombres "imaginaires".

N.A. - SCIENCE & VIE > Septembre > 2008

 Plus Vite que la Lumière

Deux équipes de chercheurs, l'une italienne et l'autre américaine, viennent d'observer de la lumière filant plus vite que la lumière. Albert Einstein nous avait pourtant garanti que cela n'arriverait jamais. Toute la physique moderne menace maintenant de s'écrouler...

Einstein s'est-il trompé ? Nature et Physical Review Letters, viennent de publier deux expériences dont les conséquences pourraient être révolutionnaires : on vient de voir de la lumière filer plus vite que la lumière !

La première expérience décrite dans PRL, trois chercheurs italiens de l'Institut de recherche sur les ondes éléctromagnétiques de Florence y expliquent comment ils ont vu un signal lumineux leur passer sous les yeux à la vitesse de 600 000 km/s ! Ce qui est deux fois plus rapide que la vitesse de la lumière, 300 000 km/s...

La seconde publiée dans Nature est plus impressionnante encore. Trois chercheurs de l'Institut de recherche de NEC, à Princeton, ont en effet chronométré un signal lumineux à la vitesse de 99 millions de km/s ! Le record est pulvérisé...Poustant, ces 2 expériences semblent tout ce qu'il y a de plus classique. Pour observer leur phénomène supraluminique, les italiens ont simplement posé en face d'un miroir arrondi une lampe à micro-ondes munie d'un cache ne laissant passer qu'un fin anneau de lumière. "Idéalement, notent les chercheurs dans leur publication, chaque point de la fente se comporte comme une source de lumière que le miroir transforme en ondes planes, se déplaçant suivant un même angle autour de l'axe central." (expérience n°1). Ces ondes réfléchies interfèrent alors entre elles pour former un cône dont le sommet se trouve sur l'axe central. Au fur et à mesure que les ondes planes avancent, ce cône lumineux se déplace le long de l'axe en rétrécissant, pour disparaitre un mètre plus loin environ. En plaçant un récepteur à différents endroits sur cet axe central, les chercheurs mesurent alors la vitesse de déplacement du sommet du cône. Et cette vitesse est largement supérieure à celle de la lumière...

Les Américains Lijun Wang, Alexander Kusmich et Arthur Dogariu ont, eux, envoyé une impulsion lumineuse à l'intérieur d'une cellule cylindrique qui contient un milieu gazeux à base d'atomes de césium (Expérience n°2). L'intensité de cette impulsion dessinant une forme de cloche, les chercheurs mesurent le temps que met le sommet de cette "cloche" pour traverser le cylindre. Rien de plus classique, en somme ! Le résultat, pourtant, l'est moins... Le sommet de l'impulsion a en effet parcouru les 6 cm de la cellule en 330 fois moins de temps qu'il ne faudrait à la lumière dans le vide pour le faire...

UN SIGNAL QUI REMONTE LE TEMPS : Les courbes publiées par Nature (Expérience n°2) comparant le temps d'arrivée de l'impulsion envoyée à travers la cellule avec celui d'une impulsion de référence qui voyage dans le vide sont éloquentes : la lumière a indubitablement filé plus vite que la lumière.
Il est facile de ralentir la lumière : il suffit de la plonger dans l'eau pour qu'elle ne voyage plus qu'à 225 000 km/s. Une physicienne danoise a même récemment réussi à lui imposer un train de tortue de 1,6 km/h. Mais, d'après les sacro-saintes lois de la relativité restreinte, gravées au début du XXè siècle par le jeune génie allemand et scrupuleusement respectées jusqu'à aujourd'hui, la vitesse de la lumière ne peut en aucun cas dépasser celle qu'elle a dans le vide, lorsque rien ne ralentit sa course. Cette vitesse limite est notée c, et aucun objet, aucune particule, aucun signal, aucune information ne peut théoriquement aller plus vite.
"Les manuels affirment que rien, même la lumière, ne peut aller plus vite que la lumière, commente le chercheur britannique Jon Marangos, dans son article accompagnant la publication de Nature. Les nouvelles expériences montrent que cela n'est plus vrai aujourd'hui." Le commentaire est laconique, mais les conséquences sont révolutionnaires : d'après les équations de la relativité, qui entremêlent l'espace et le temps, un signal qui file plus vite que la lumière peut être vu par certains observateurs comme remontant le temps. "En pratique, écrit dans Nature Lijun Wang, responsable de l'équipe américaine, cela signifie que l'impulsion lumineuse arrive tellement tôt à la sortie de la cellule que le sommet de l'impulsion semble sortir avant d'y être entré." L'effet (la sortie du signal de la cellule) paraît donc précéder la cause (son entrée à l'autre bout). Le principe de causalité est violé. Le futur peut modifier son passé, et le fils peut tuer ses aïeux avant sa propre naissance... Ces dramatiques paradoxes spatio-temporels fout trembler toute la physique.
Pire : les résultats de ces expériences étaient prédits par la théorie ! Les équations electromagnétiques prévoient en effet l'apparition du cône lumineux des Italiens - phénomène connu depuis la fin des années 80 sous le nom de "rayon de Bessel" - qui ne peut théoriquement se déplacer qu'à une vitesse supérieure à c. Pour l'expérience américaine, la vitesse du sommet du paquet de lumière est déterminée par l'indice de réfraction du milieu qu'il traverse. Or, l'indice de la cellule a été soigneusement ajusté par les chercheurs de façon que, théoriquement, le sommet se déplace à 310 fois c... Aux erreurs expérimentales près, les résultats sont donc en accord avec la théorie électromagnétique, elle-même en symbiose avec la théorie de la relativité restreinte... qui interdit toute infraction supraluminique. La physique est confrontée à de terribles contradictions.
Les chercheurs, pourtant, n'osent affronter les paradoxes engendrés par leurs propres expériences : "La propagation supraluminique observée n'est pas en contradiction avec la causalité", note ainsi Lijun Wang. "La question de savoir si la vitesse que l'on a mesurée correspond ou non à la vitesse du signal est un point délicat", souligne quant à elle Daniela Mugnai, responsable de l'équipe italienne. Alors ? La révolution est-elle ou non à l'horizon ?
En fait non. Il n'y a pas de révolution. Les deux phénomènes paradoxaux ne sont que des tours de prestidigitation dissimulés, avec plus ou moins de finesse et de bonne foi, derrière la complexité d'un dispositif expérimental. Aucune particule de lumière ne s'est réellement déplacée plus vite que la lumière. Aucun signal, aucune énergie, aucune information. On voit certes "quelque chose" bouger, mais ce n'est justement pas une chose. Ce n'est rien. Rien de physique. Juste une illusion.

UN EFFET GÉOMÉTRIQUE : L'astuce du tour de prestidigitation des Italiens est un peu grossière. Les seuls objets physiques qui se déplacent lors de leur expérience sont en effet les ondes planes réfléchies par le miroir. Ces ondes ne vont qu'à la vitesse de la lumière, mais se déplacent en biais par rapport à l'axe central. L'effet est donc purement géométrique : chronométrer le déplacement du sommet du cône le long de cet axe revient à mesurer la vitesse des vagues suivant un axe placé en biais par rapport à la plage (l'illusion 1). La vitesse mesusée peut être énorme, mais elle ne correspond à la vitesse d'aucune goutte d'eau. Richard Ziolkowski, de l'université d'Arizona, avait travaillé sur ce phénomène à la fin des années 80. Interrogé par S&V, il n'est pas surpris par les résultats des Italiens : "Le pic d'interférence voyage réellement plus vite que c, expliquet-il. C'est comme s'il surfait sur les ondes. Malheureusement - ou heureusement - les ondes planes arrivent au détecteur avant le pic d'interférence... Aucune information n'a donc réellement voyagé plus vile que c." Les chronométrages de l'expérience le confirment (Expérience n°1) : l'interférence (droite rouge) va plus vite que la lumière (droite bleue), mais elle arrive toujours en retard. De même, un message dans une bouteille jetée à la mer n'atteindra pas le rivage plus vite s'il se déplace de travers par rapport aux vagues.

À LA LIMITE DU TOUR DE MAGIE : Force est de constater qu'Einstein a encore raison. "L'expérience de Wang et de ses collègues américains est plus subtile, considère le physicien Michel Brune, de l'Ecole normale supérieure de Paris. Leurs résultats sont contraires à l'intuition, mais ils ne prétendent pas faire autre chose que de l'électromagnétisme normal. Ils tentent juste de se mettre le plus près possible de la frontière où ça pourrait paraître mystérieux." Une astuce leur permet alors de faire passer leur tour de prestidigitation pour un tour de magie... Cette astuce est discrètement révélée au milieu de la publication : seuls 40 % de l'impulsion lumineuse sont en fait passés au travers de la cellule, le reste étant absorbé par le gaz de césium. "En comparant à la même échelle l'impulsion envovée à travers la cellule avec l'impulsion de référence qui a voyagé dans le vide, explique Michel Brune, l'illusion se dissipe immédiatement : il n'y a pas eu de propagation supraluminique." Lorsqu'elle passe à travers la cellule, l'impulsion lumineuse se transforme en effet en une impulsion plus petite dont le centre se trouve décalé par rapport à celui de l'impulsion de référence, comme si c'était principalement la première partie du message lumineux qui était passée. Le sommet du paquet de lumière est logiquement mesuré à une vitesse supraluminique, mais comme on le voit en observant la courbe C dans l'illusion n°2, rien n'a réellement été plus vite que la lumière.
Le grand talent des chercheurs a consisté à mettre au point une cellule qui ne change pas la forme globale de l'impulsion qui la traverse. Et leur grande malice (ou celle de la revue Nature) a été de représenter sur un même tableau, mais à des échelles différentes, l'impulsion réduite et l'impulsion de référence... Mais n'est-ce pas le propre des illusionnistes que de cacher leur truc ? Le propre d'une illusion, c'est aussi de disparaître une fois dévoilée. Ces deux expériences ne feront donc pas la révolution. "En dépit de tous les efforts pour prouver qu'il a tort, constate Richard Ziolkowski, Einstein a encore raison." Le motif de cette limitation universelle de vitesse est le plus souvent mal compris par les physiciens eux-mêmes, mais cette limitation est profondément inscrite dans la structure de l'Univers. Einstein et la vitesse de la lumière ne sont pas dépassables.
Ces expériences devraient toutefois pousser les rédacteurs des manuels de physique à plus de précision lorsqu'ils affirment que "rien ne peut aller plus vite que la lumière". Le "rien" est un peu vague : le cône des Italiens ou le sommet de la cloche des Américains sont des objets mesurables, dont la vitesse excède réellement c. Mais (et c'est ce qui permet de distinguer ces objets chimériques des objets physiques classiques), personne ne peut utiliser leur déplacement pour envoyer un message supraluminique.Impossible en effet d'envover un message supraluminique en utilisant le cône d'interférence, puisque ce cône arrive toujours après les ondes lumineuses qui l'engendrent. Impossible aussi d'utiliser le sommet de la cloche comme messager puisque son décalage lors de la traversée de lacellule ne correspond, au bout du compte, qu'à l'absorption d'une partie de l'intensité lumineuse. Afin d'éviter les confusions, il serait donc mieux d'écrire "qu'aucune information ne peut voyager plus vite que la lumière".

CRUELLE DÉCEPTION : Cette limitation de vitesse est une cruelle déception pour l'humanité. La lumière de l'étoile la plus proche met plus de quatre ans pour venir jusqu'à nous. Rien ne pouvant aller plus vite, seule la proche banlieue de la Terre est à notre portée. Les voyages dans l'Univers, dont l'immensité ne pourrait se parcourir qu'à des vitesses supraluminiques, nous sont-ils à jamais interdits ?

Pas obligatoirement. Si on ne peut filer plus vite que la lumière, on peut peut-être tout de même arriver avant elle à destination... en prenant un raccourci. Selon la théorie de la relativité générale, écrite dix ans après la théorie de la relativité restreinte par le même Albert Einstein, l'univers n'est en effet pas plat, mais plié en permanence par la présence de matière. Ces déformations de la structure de l'Univers, si elles sont assez profondes, peuvent engendrer un trou. Un trou qui relie deux lieux éloignés de l'espace. Celui qui traverserait ces trous se retrouverait immédiatement à une distance que la lumière ne peut parcourir qu'en plusieurs milliards d'années. Les plans d'audacieuses machines supraluminiques respectant les lois de la relativité peuvent ainsi être échafaudés. Il faut bien garder quelques illusions...

PUBLICATIONS ABUSIVES
"Escroquerie", "supercherie", "piège à journaliste", le jugement des physiciens interrogés sur les deux expériences est sans appel. Quelles étaient donc les réelles motivations des chercheurs ?
Daniela Mugnai s'étonne de la question : "Nous sommes des chercheurs et notre seule motivation est de chercher, rien de plus et rien de moins". Lijun Wang, lui, est faché contre les journalistes qu'il accuse de n'avoir rien compris à l'objet de son travail : son but n'était pas la propagation supraluminique, affirme-t-il, mais la transformation des longueurs d'ondes d'un rayon de lumière, un problème particulièrement intéressant pour les télécommunications, mais qui ne remet en cause aucune loi de la physique. Ce malentendu, qui a fait la une du Washington Post et du Sunday Times, est-il à mettre sur le compte des journalistes ; alors que Lijun Wang parle lui-même de "propagation supraluminique de lumière" dans le titre de sa publication et cache ensuite consciencieusement les explications de son illusion ? Les responsables de ce malentendu sont plus probablement les prestigieuses revues Nature et Physical Review Letters. Les arguments scientifiques ne sont pas seuls en jeu lors de la publication de ces articles. Il est tout simplement important pour une grande revue d'être citée dans les médias. Et il est fascinant pour les médias de jouer avec la vitesse de la lumière...

SCIENCE & VIE > Octobre > 2000
 

   
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