La vitesse de la lumière

Je ne vais pas vous parler de la double nature de la lumière constituée d'ondes électromagnétiques et de particules, les photons. Je vais vous entretenir seulement de sa vitesse.
J'insisterai sur une double interprétation donnée à la fin de mon exposé.

Une constante universelle 

Einstein a énoncé l'un des principes fondamentaux et révolutionnaires, à la base de sa théorie de la relativité: la vitesse de la lumière dans le vide est constante, quelle que soit la source de lumière, quel que soit le mouvement de cette source et quelle que soit sa direction.

De nombreuses expériences ont permis de vérifier ce principe et de calculer cette vitesse. Voici une expérience à laquelle j'ai assisté.

Un rayon vert dans le ciel de Paris

Certaines nuits en Octobre 2005, dans le ciel de Paris on pouvait voir un rayon laser, vert, envoyé depuis l'Observatoire jusqu'à une terrasse de la butte Montmartre. Après réflexion il revenait à l'Observatoire.

J'ai vu des étudiants mesurer la vitesse de la lumière, quotient de la distance (aller-retour) parcourue par le rayon vert, par le temps mis pour faire ce trajet.


Cette vitesse constante est une constante universelle de la physique. Elle est aussi appelée célérité, on la note c, et sa valeur  définitive est:

                                        c= 299 792 458 m/s

voisine de 300 000 km/s.

La nouvelle définition du mètre

Pour conserver intact, intangible et en permanence le mètre, on  fabriqua des mètres-étalons en marbre (il en existe encore deux à Paris: 13 Place Vendôme et 36 rue de Vaugirard) ou en platine iridié (au Pavillon de Breteuil à Sèvres). Le mètre fut ensuite un certain nombre de fois la longueur d'onde d'une radiation émise par le krypton 86 (voir mon article La longue histoire du mètre du 25 Mai 2014).

Mais quoi de plus précis, de plus constant que l'étalon vitesse de la lumière ! En 1983 le BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) donna une nouvelle définition du mètre. Si, d'après la valeur de c , la distance parcourue par la lumière dans le vide est 299 792 458 mètres en 1 seconde, il est évident que la lumière parcourt 1 m dans la fraction 1/299 792 458 de seconde. C'est la définition actuelle du mètre:
le mètre est la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 de seconde.

L'année-lumière

L'année-lumière est la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1 an.

Calculons cette distance. La lumière parcourant 299 792 458 m en 1 seconde, la distance parcourue en 1 an sera 299 792 458 mètres multipliés par le nombre de secondes qu'il y a dans une année.
Une année contient en moyenne 365,25 jours (en tenant compte des années bissextiles), un jour contient 24 heures, une heure contient 60 minutes et  une minute contient 60 secondes. Donc dans une année il y a:

                                                365,25 x 24 x 60 x 60 secondes
Une année-lumière est donc égale à:
                                                299 792 458 x 365,25 x 24 x 60 x 60 m
soit en arrondissant:

                                                9 460 milliards de km 



Dans l'Univers les distances énormes ne se calculent pas en milliards d'années mais en années-lumière. Les nombres sont beaucoup plus simples à manipuler.

Une double interprétation 

Dire qu'une étoile se trouve, par exemple, à 10 années-lumière signifie que sa distance à la Terre est de 10 années-lumière (soit 10 x 9460 milliards de km = 94600 milliards de km).
Mais on peut dire aussi que le temps mis par la lumière de l'étoile pour nous parvenir est de 10 années.Le scintillement de l'étoile que nous voyons aujourd'hui a mis 10 ans pour nous parvenir.

De même, la distance de la Terre au Soleil étant de 8 minutes-lumière, on peut dire aussi que le temps mis par la lumière du Soleil pour nous parvenir est de 8 minutes.

Le télescope spatial Hubble a observé la galaxie la plus lointaine jamais observée 
GN-z11 située à 13,4 milliards d'années-lumière.La lumière émise par la galaxie a voyagé pendant 13,4 milliards d'années avant de nous parvenir.

Plus on observe un corps céleste éloigné, plus sa formation remonte loin dans le temps.

Remarque

Mais comment mesure-t-on cette distance de 13,4 milliards d'années -lumière ? C'est une autre histoire que je pourrais peut-être vous raconter dans un autre article.