LUMIÈRE

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Vitesse de la lumière

La lumière ne se propage pas instantanément. Il faut par exemple 8 minutes à la lumière émise à la surface du Soleil pour parvenir jusqu'à nous, soit une vitesse d'environ 300 000 kilomètres par seconde dans le vide ; cet ordre de grandeur est aujourd'hui largement connu. Ce n'est pourtant qu'à la fin du xviie siècle qu'une première valeur de cette vitesse – dénommée usuellement c pour célérité – a été obtenue par l'astronome danois Römer, déduite de l'observation de l'occultation des satellites de Jupiter par la géante gazeuse. Fizeau en 1849 obtint une valeur tout à fait honorable en mesurant le temps mis par la lumière pour parcourir la distance qui sépare Montmartre de Suresnes.

Une autre expérience célèbre est celle de Michelson et Morley en 1887. Réitérée en plusieurs points du globe et à plusieurs époques de l'année, elle visait à comparer par interférométrie la vitesse de la lumière se propageant dans le sens de révolution de la Terre et perpendiculairement à ce mouvement. Le but était de mettre en évidence le « vent d'éther » lié au milieu hypothétique qui serait le support de la propagation de la lumière et par rapport auquel la Terre serait en mouvement. Les résultats furent précis et reproductibles : aucune variation de c ne fut mise en évidence.

Einstein interpréta cette expérience dans le cadre de sa théorie de la relativité restreinte : c est une constante universelle de la physique, cette vitesse étant indépendante du référentiel. c est une vitesse frontière qu'aucun objet ayant une masse ne peut atteindre. Autre conséquence : l'éther n'existe pas et la lumière se propage à la fois dans le vide et dans les milieux matériels.

En 1983, la conférence du Bureau des poids et mesures fixa la valeur de c : 299 792 458 mètres par seconde, mesure la plus précise existant alors. C'est désormais la valeur du mètre qui est affinée au fur et à mesure de l'augmentation de la précision expérimentale obtenue.

Il est souvent difficile de se représenter certains ordres de grandeur : 300 000 kilomètres par seconde est une vitesse exceptionnelle à l'échelle de la technologie humaine (20 km/s pour une sonde spatiale actuellement), mais il faut quand même 4 ans à la lumière pour nous parvenir de l'étoile la plus proche du Soleil (Proxima Centauri) et plus de 2 millions d'années de la galaxie d'Andromède, la « voisine » de notre voie lactée...

c est une constante qui ne dépend pas du référentiel. En d'autres termes, quand une source de lumière s'approche ou s'éloigne, la lumière qui parvient à l'observateur a toujours la même vitesse. En revanche, sa fréquence augmente ou diminue. Cet effet, dit Doppler-Fizeau, permet par exemple de mesurer la vitesse d'éloignement des galaxies dans l'Univers.

La vitesse de la lumière décroît dans les milieux matériels, ce qui se manifeste par un changement de l'indice de réfraction en fonction du milieu. La vitesse – et donc l'indice de réfraction – dépend également de la longueur d'onde de la lumière : on explique ainsi la dispersion de la lumière blanche observée lors de son passage dans un prisme ou dans les gouttes d'eau d'un arc-en-ciel.

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Réflexion et réfraction de la lumière

Réflexion et réfraction de la lumière
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Lumière : phénomènes ondulatoires

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Lumière : propagation du champ électromagnétique

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Ondes électromagnétiques

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Pour citer l’article

Séverine MARTRENCHARD-BARRA, « LUMIÈRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 29 septembre 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lumiere/