Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et au Flatiron Institute, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de « Comment mourir dans l’espace« Il a contribué cet article à Les voix d’experts de Space.com: Op-Ed & Insights.
Nous connaissons et aimons tous vitesse de la lumière – 299 792 458 mètres par seconde – mais pourquoi a-t-il la valeur qu’il a? Pourquoi n’est-ce pas un autre numéro? Et pourquoi nous soucions-nous tant de la vitesse aléatoire des ondes électromagnétiques? Pourquoi est-il devenu une telle pierre angulaire de la physique?
Eh bien, c’est parce que la vitesse de la lumière est tout simplement bizarre.
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Mettre la lumière à l’épreuve
La première personne à réaliser que la lumière a effectivement une vitesse était un astronome du nom d’Ole Romer. À la fin des années 1600, il était obsédé par d’étranges mouvements de la lune Io autour de Jupiter. De temps en temps, la grande planète bloquait notre vision de sa petite lune, provoquant une éclipse, mais le timing entre les éclipses semblait changer au cours de l’année. Soit quelque chose de génial se passait avec l’orbite de Io – ce qui semblait suspect – ou quelque chose d’autre se préparait.
Après quelques années d’observations, Romer a fait le lien. Quand nous voyons Io être éclipsé, nous sommes dans une certaine position sur notre propre orbite autour du soleil. Mais la prochaine fois que nous verrons une autre éclipse, quelques jours plus tard, nous nous trouverons dans une position légèrement différente, peut-être plus ou moins loin de Jupiter que la dernière fois. Si nous sommes plus loin que la dernière fois que nous avons vu une éclipse, cela signifie que nous devons attendre un peu plus de temps pour voir la suivante, car il faut beaucoup plus de temps pour que la lumière nous atteigne, et l’inverse est vrai s’il nous arrive d’être un peu plus près de Jupiter.
La seule façon d’expliquer les variations dans le timing des éclipses de Io est si la lumière a une vitesse finie.
Cela signifie quelque chose
La poursuite des mesures au cours des siècles suivants a solidifié la mesure de la vitesse de la lumière, mais ce n’est qu’au milieu des années 1800 que les choses ont vraiment commencé à se mettre en place. C’est alors que le physicien James Clerk Maxwell a accidentellement inventé la lumière.
Maxwell avait joué avec les phénomènes alors méconnus de l’électricité et du magnétisme quand il a découvert une seule image unifiée qui pourrait expliquer toutes les observations disparates. Jeter les bases de ce que nous comprenons maintenant la force électromagnétique, dans ces équations, il a découvert que la modification des champs électriques peut créer des champs magnétiques, et vice versa. Cela permet aux vagues d’électricité de créer des ondes de magnétisme, qui continuent à faire des vagues d’électricité et à faire des va-et-vient et des va-et-vient les unes sur les autres, capables de voyager dans l’espace.
Et quand il est allé calculer la vitesse de ces soi-disant ondes électromagnétiques, Maxwell a obtenu le même nombre que les scientifiques mesuraient comme la vitesse de la lumière depuis des siècles. Ergo, la lumière est faite d’ondes électromagnétiques et elle se déplace à cette vitesse, car c’est exactement la vitesse à laquelle les vagues d’électricité et de magnétisme se déplacent dans l’espace.
Et tout cela allait bien jusqu’à ce qu’Einstein arrive quelques décennies plus tard et se rende compte que la vitesse de la lumière n’avait rien à voir avec la lumière. Avec son théorie spéciale de la relativité, Einstein a réalisé la véritable connexion entre le temps et l’espace, un tissu unifié connu sous le nom d’espace-temps. Mais comme nous le savons tous, l’espace est très différent du temps. Un mètre ou un pied est très différent d’une seconde ou d’un an. Ils semblent être deux choses complètement différentes.
Alors, comment pourraient-ils être sur le même pied?
Il fallait une sorte de colle, une connexion qui nous permette de traduire entre mouvement dans l’espace et mouvement dans le temps. En d’autres termes, nous devons savoir combien un mètre d’espace, par exemple, vaut dans le temps. Quel est le taux de change? Einstein a constaté qu’il y avait une seule constante, une certaine vitesse, qui pouvait nous dire combien d’espace était équivalent à combien de temps, et vice versa.
Les théories d’Einstein n’ont pas dit ce qu’était ce nombre, mais il a ensuite appliqué une relativité restreinte aux anciennes équations de Maxwell et a découvert que ce taux de conversion est exactement la vitesse de la lumière.
Bien sûr, ce taux de conversion, cette constante fondamentale qui unifie l’espace et le temps, ne sait pas ce qu’est une onde électromagnétique et ne s’en soucie même pas vraiment. C’est juste un certain nombre, mais il s’avère que Maxwell avait déjà calculé ce nombre et l’avait découvert sans même le savoir. En effet, toutes les particules sans masse peuvent se déplacer à cette vitesse, et comme la lumière est sans masse, elle peut se déplacer à cette vitesse. Et donc, la vitesse de la lumière est devenue une pierre angulaire importante de la physique moderne.
Mais encore, pourquoi ce nombre, avec cette valeur, et pas un autre nombre aléatoire? Pourquoi la nature a-t-elle choisi celui-ci et aucun autre? Que se passe-t-il?
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Rendre vide de sens
Eh bien, le nombre n’a pas vraiment d’importance. Il a des unités après tout: mètres par seconde. Et en physique, tout nombre auquel des unités sont attachées peut avoir n’importe quelle valeur ancienne, car cela signifie que vous devez définir quelles sont les unités. Par exemple, afin d’exprimer la vitesse de la lumière en mètres par seconde, vous devez d’abord décider quel est le diable d’un mètre et quel est le diable d’une seconde. Et donc la définition de la vitesse de la lumière est liée aux définitions de la longueur et du temps.
En physique, nous nous intéressons davantage aux constantes qui n’ont ni unités ni dimensions – en d’autres termes, les constantes qui apparaissent dans nos théories physiques ne sont que des nombres simples. Celles-ci semblent beaucoup plus fondamentales, car elles ne dépendent d’aucune autre définition. Une autre façon de le dire est que, si nous rencontrions des civilisation extraterrestre, nous n’aurions aucun moyen de comprendre leur mesure de la vitesse de la lumière, mais en ce qui concerne les constantes adimensionnelles, nous pouvons tous être d’accord. Ce ne sont que des chiffres.
Un tel nombre est connu comme la constante de structure fine, qui est une combinaison de la vitesse de la lumière, Constante de Planck, et quelque chose connu comme la permittivité de l’espace libre. Sa valeur est d’environ 0,007. 0,007 quoi? Seulement 0,007. Comme je l’ai dit, ce n’est qu’un chiffre.
Donc, d’une part, la vitesse de la lumière peut être ce qu’elle veut être, car elle a des unités et nous devons définir les unités. Mais d’un autre côté, la vitesse de la lumière ne peut être autre chose que ce qu’elle est exactement, car si vous deviez changer la vitesse de la lumière, vous changeriez la constante de structure fine. Mais notre univers a choisi la constante de structure fine à environ 0,007, et rien d’autre. C’est simplement l’univers dans lequel nous vivons, et nous n’avons aucun choix à ce sujet. Et puisque c’est fixe et universel, la vitesse de la lumière doit être exactement ce qu’elle est.
Alors pourquoi la structure fine est-elle constante exactement le nombre qu’elle est, et pas autre chose? Bonne question. On ne sait pas.
Pour en savoir plus, écoutez l’épisode « Pourquoi la vitesse de la lumière est-elle la même? » sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com. Merci à Robert H, Michael E., @ DesRon94, Evan W., Harry A., @twdixon, Hein P., Colin E. et Lothian53 pour les questions qui ont mené à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter.
