LA MESURE DE LA VITESSE DE LA LUMIERE

G. Paturel, Observatoire de Lyon
La lumière a toujours joué un rôle moteur dans l'évolution des idées en physique. La première question qui se posait avec la lumière était la question de sa nature : la lumière était-elle faite de particules ou était-elle une onde associée à un phénomène vibratoire, comme le son ? La question s'est résolue de manière étrange : la lumière est à la fois onde et corpuscule (photon).

La deuxième question concernait la vitesse de propagation de la lumière. Les premières tentatives pour estimer la vitesse de la lumière furent entreprises par Galilée au XVIIe siècle. Galilée s'était placé sur une colline avec une lampe couverte. Un de ses élèves s'était placé avec une lanterne semblable sur une colline voisine. Galilée devait dévoiler sa lanterne et mesurer le temps qu'il fallait à la lumière pour revenir vers lui après que son acolyte l'ait renvoyée. La lumière semblait revenir instantanément. Galilée ne conclut pas, comme certains le pensaient à l'époque, que la lumière avait un déplacement instantané. Il conclut, subtilement, que la vitesse de la lumière était trop grande pour être mesurée. C'était vrai à cette époque. Les progrès de la technique aidant, la vitesse de la lumière, que l'on note souvent "c", fut mesurée comme étant égale à :

c= 299792,458 km/s (dans le vide)

La lumière peut faire sept fois et demi le tour de la Terre en une seconde ! Cette valeur a pris une importance considérable dans le cadre de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein. En effet, il a été montré qu'aucune vitesse réelle ne peut être plus grande que c. La vitesse de la lumière est ainsi devenue une constante fondamentale. Plus tard cette valeur a même été fixée, par convention, à sa valeur mesurée. L'unité de longueur est alors définie par un temps. Le mètre est la longueur parcourue par la lumière, dans le vide, en une certaine fraction de seconde (1/299792458 s). La seconde est définie à partir d'une transition atomique du césium 133.

Pourquoi précise-t-on toujours "dans le vide". La raison vient de ce que la lumière a une vitesse moindre dans les corps matériels. Dans l'eau par exemple, la vitesse de la lumière n'est que de 225000 km/s. Le rapport entre la vitesse dans le vide et la vitesse dans un corps donné est ce qu'on appelle l'indice de réfraction de ce corps. Cet indice joue un rôle important en optique.

Indice de réfraction = c/v

Une question piège :

Peut-on dépasser la vitesse de la lumière dans un milieu matériel, comme l'eau par exemple ?

La réponse est oui !

En effet, prenons l'exemple d'une particule qui serait accélérée, dans le vide, à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Si brusquement nous faisons entrer une telle particule dans de l'eau, elle aura pendant quelques temps une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans l'eau. La particule sera freinée. Ce freinage s'accompagnera d'une émission lumineuse. C'est ce qu'on appelle l'effet Cerenkov. Ce phénomène apparaît dans les piscines de refroidissement de centrales nucléaires. La piscine s'illumine d'une belle couleur bleue.