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Qu’est-ce que la vitesse de la lumière c et est-elle indépassable ?

dimanche 15 février 2009, par Robert Paris

Jean-Paul Auffray, dans « L’atome »

« Selon la mécanique quantique, les rayons émis (ou absorbés) par un atome sont composés de photons dotés, en tant que tels, de deux caractéristiques fondamentales : ils se déplacent à la vitesse de la lumière (égale à 300.000 kilomètres par seconde environ) et ils transportent chacun un paquet d’énergie égale à la constante de Planck h multiplié par la fréquence µ du rayonnement considéré. Les choses de présentent différemment dans notre représentation. Les rayons sont composés de quanta d’action (l’action a la dimension d’une énergie multipliée par un temps) auxquels ni l’une ni l’autre des deux contraintes citées ci-dessus (vitesse c et paquet d’énergie hµ) n’est applicable : les quanta peuvent aller soit moins vite soit plus vite que la lumière et peuvent transporter une énergie soit plus petite soit plus grande que hµ. Y a-t-il une chance concrète de pouvoir trancher entre les deux points de vue, en observant par exemple un quantum allant plus vite que la lumière et transportant une énergie plus grande que hµ ? Selon notre point de vue, lorsqu’un quantum rencontre sur son chemin un passage étroit – un tunnel – dont la largeur ou le diamètre est du même ordre de grandeur que la longueur de son pas, il « allonge le pas » pour traverser cet obstacle, ce qui a pour effet de le faire émerger de l’autre côté du piège plus tôt que prévu il traverse donc le tunnel à une vitesse « supraluminique ». Ce phénomène remarquable est connu en mécanique quantique sous le nom d’ « effet tunnel ». Au cours des années 90, plusieurs groupes de chercheurs (en particulier Anedio Ranfani à Florence, Günther Nimtz à Cologne et Raymond Chiao à Berkeley) l’ont étudié au moyen de techniques très sophistiquées. Ainsi l’équipe de Cologne a mesuré des vitesses cinq fois supérieures à c ! Le phénomène fascine … et embarrasse les physiciens : c’est qu’ils sont habitués à penser que « rien ne peut aller plus vite que la lumière ». Pour expliquer les vitesses supraluminiques, la mécanique quantique a recours à une représentation du photon qui en fait un « paquet d’ondes », véritable composite … d’éléments individuels ressemblant étrangement à nos quanta d’action ! En un mot, elle utilise de facto la représentation ci-dessus. Aephraïm Steinberg à Berkeley a étudié de près le comportement d’un paquet d’ondes traversant un tunnel constitué dans ses expériences par une couche mince réfléchissante que seul un quantum sur cent en moyenne parvenait à traverser. Ses conclusions confirment qu’en traversant le tunnel le paquet « voyage plus vite que la lumière », même s’il conclut également qu’ « on ne peut pas exploiter cet effet pour transférer de l’énergie à une vitesse moyenne supérieure à celle de la lumière. » A quoi cela tient-il ? Les calculs de Richard Feynman montrent que sur de longues distances seuls les quanta qui se déplacent à la vitesse de la lumière parviennent à demeurer en phase les uns avec les autres et sont donc observables (sont « réels » au sens donné par les spécialistes). C’est ce qui nous fait dire que la lumière a une vitesse c bien déterminée, toujours la même dans le vide. Mais cette restriction ne s’applique pas sur de courtes distances, à l’échelle interne de l’atome par exemple. »

vitesse supraluminique

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Sur wikipedia :

La vitesse de la lumière dans le vide

D’après les théories de la physique moderne, et notamment les équations de Maxwell, la lumière visible et toutes les ondes électromagnétiques ont une vitesse constante dans le vide, la vitesse de la lumière.

On la considère donc comme une constante physique notée c (du latin celeritas, « vitesse »). Mais elle n’est pas seulement constante (pense-t-on) en tous les endroits (et à tous les âges) de l’univers (principes cosmologiques faible et fort, respectivement) ; elle l’est également d’un repère inertiel à un autre (principe d’équivalence restreint). En d’autres termes : quel que soit le repère inertiel de référence d’un observateur ou la vitesse de l’objet émettant la lumière, tout observateur obtiendra la même mesure.

Aucun objet matériel ni aucun signal ne peut voyager plus vite que c dans le cadre des théories existantes. Seuls peuvent « voyager » plus vite que c (à vitesse dite supraluminique) des fronts virtuels (l’ombre portée à grande distance d’un objet en rotation, par exemple), et on ne peut pas s’en servir pour transmettre un signal, ni de l’énergie. Ce ne sont en fait même pas des objets à proprement parler.

L’expérience d’Alain Aspect montre qu’un observateur peut être informé instantanément, par une mesure sur une particule proche, de l’état d’une particule lointaine, mais il n’y a pas là non plus de réelle transmission de signal.

La vitesse de la lumière dans le vide est notée c :

c = 299 792 458 mètres par seconde

Effets supraluminiques

En mécanique quantique, il existe une collection d’effets qui explorent les limites de la notion de vitesse limite indépassable. Les expériences associées à ces effets sont plus subtiles à interpréter. Cela dit, on démontre que si certains phénomènes donnent l’impression d’impliquer une propagation instantanée, voire remontant le temps, aucun de ces phénomènes ne permet de transporter de l’énergie ou de l’information.

Effet Hartman

Un photon ou un électron traversant par effet tunnel une barrière quantique peut manifester un délai de traversée plus court que celui mis par la lumière pour une distance équivalente, ce temps étant évalué par l’observation du sommet du paquet d’ondes correspondant, avant et après la barrière. Compte tenu de l’épaisseur de la barrière tunnel, le sommet du paquet d’onde est réduit, et semble être passé plus vite que la vitesse de la lumière. Ce phénomène est appelé effet Hartman (ou effet Hartman-Fletcher). Les explications de ce phénomène dans le cadre de la mécanique quantique s’avèrent interdire son utilisation hypothétique pour le transport d’information ou d’énergie supraluminique.

Effet Casimir

L’effet Casimir est un effet visible à très petite échelle, mais tout de même mesurable et qui correspond à une pression[4] sur des plaques conductrices exercée par le vide quantique situé entre elles. Ainsi qu’il est décrit en théorie quantique des champs le vide quantique est le lieu de création et d’annihilation à tout instant de nombreuses particules virtuelles. L’existence de conditions au bord différentes pour le vide extérieur et intérieur aux plaques implique alors une différence d’énergie entre les deux qui est la cause de la pression mesurée sur les plaques.

Les particules virtuelles sont par définition en dehors de leur couche de masse, ce qui signifie qu’elles ne satisfont pas à la relation E2 = p2c2 + m2c4, et sont par définition inobservables individuellement bien que leur contribution collective soit mesurable comme dans l’effet Casimir et plus généralement dans toutes les corrections quantiques aux observables classiques d’une théorie quantique des champs.

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La vitesse de la lumière pourrait être variable, ralentie par les fluctuations du vide quand elle est très énergétique (on sait que tout comme une corde, plus l’énergie est grande, plus la longueur d’onde est courte : plus c’est lourd plus c’est petit comme le noyau est plus petit que l’électron ! Plus c’est petit, plus l’énergie est grande, plus le temps est court et plus les fluctuations du vide sont assez importantes pour dévier les photons, qui ralentissent donc et s’embourbent).

En étudiant en 2005 la galaxie Markarian 501, les astrophysiciens ont fait une bien curieuse découverte : des photons semblent se déplacer à des vitesses différentes ! Selon les plus audacieux d’entre-eux, il pourrait s’agir d’une des toutes premières preuves en faveur de certaines théories de gravitation quantique comme la Loop Quantum Gravity ou la théorie des supercordes.

La taille de la région d’où sont originaires ces éruptions ne semble pas excéder la distance que parcourt la lumière en trois secondes et chacune d’entre elles a produit des photons gamma dont les énergies s’échelonnent entre 100 Gev et 10 Tev, et ce, pendant un temps estimé à 2 minutes à peu près. Là où les choses commencent à devenir très intéressantes, c’est que les photons gamma les plus énergétiques sont arrivés sur Terre avec 4 minutes de retard environ sur les moins énergétiques !

En particulier, John Wheeler et Stephen Hawking ont défendu depuis longtemps l’idée qu’en raison des lois de la mécanique quantique, si l’espace-temps semble lisse et calme à notre échelle, il n’en est pas de même lorsqu’on le considère à des échelles de distances bien plus petites qu’un milliardième de la taille d’un noyau d’atome. Si l’on se donne une image de fluide pour décrire ce qui se passe à une échelle de 10-35 m, la longueur de Planck, on obtient celle d’un liquide en ébullition, très turbulent. Les lois de la gravitation quantique impliquent en effet alors une structure très similaire à celle de l’écume d’une vague se brisant sur un rocher. C’est ce que John Wheeler a justement baptisé en anglais la « foam like structure » de l’espace-temps.

Une théorie quantique du champ de gravitation doit donc elle aussi conduire à des fluctuations quantiques violentes, mais transitoires, de la structure de l’espace-temps avec apparition temporaire de trous de vers et de trous noirs virtuels. Or, plus un photon est énergétique, plus sa longueur d’onde est courte. Ce qui veut dire qu’il sera d’autant plus sujet à être affecté par la structure microscopique de l’espace-temps. Plus cette longueur sera courte, plus les fluctuations conduisant à l’apparition de mini trous noirs virtuels modifieront sa trajectoire dans l’espace-temps.

Une structure discrète semble alors émerger dans certains cas, exactement comme le prédisent les théoriciens de la Loop Quantum Gravity. Les deux approches sont donc peut-être complémentaires pour décrire l’effet de la structure quantique de l’espace-temps sur la propagation des photons. De fait, ces deux approches pour la gravitation quantique que sont la théorie des cordes et la LQG, conduisent à des formules similaires pour décrire cet effet.

suite à venir ...

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