Vitesse Lumière
La vitesse de la lumière
Ole Rømer est le premier à démontrer (en 1676) que la lumière voyage à une vitesse finie en étudiant le mouvement apparent de la lune de Jupiter, Io. En 1810, l'expérience du Français Arago démontre que la vitesse de la lumière est constante dans un milieu donné. En 1865, James Clerk Maxwell définit la lumière comme une onde électromagnétique. En 1905, Albert Einstein postule que la vitesse de la lumière est dans tout référentiel une constante et est indépendante du mouvement de la source de lumière.
Galilée fut le premier à essayer de mesurer la vitesse de la lumière mais sans succès. Voici une des nombreuses expériences qui vinrent après :
La roue dentée de Hippolyte Fizeau est une expérience dont le principe est que la lumière passe à travers un miroir semi-réfléchissant ,puis à travers une échancrure de la roue dentée. Elle parcourt une certaine distance, se réfléchit sur un miroir et revient vers la roue qui, entre-temps, a tourné. La connaissance de la distance totale parcourue par la lumière et la connaissance de la vitesse de rotation de la roue nécessaire pour que la lumière, lors de son retour, soit bloquée par une dent de la roue, permet de déterminer la vitesse de la lumière.
En 1849, il énonce donc que la vitesse de la lumière est de 315 km/s.
Peut on dépasser la vitesse de la lumière ?
Le principe a été énoncé par Albert Einstein au XIXe siècle. Selon lui, il n'est physiquement pas possible de dépasser la vitesse de la lumière dans le vide (environ 300.000 km/s).
D'après la théorie de la relativité restreinte, un objet qui subit une accélération, acquiert de la masse. En accélérant jusqu'à atteindre la vitesse de la lumière, il acquiert ainsi potentiellement une masse infinie. Or, pour qu'un objet accélère, il faut lui fournir de l'énergie, une énergie d'autant plus importante que l'objet est lourd ! On se retrouve donc à devoir fournir une énergie infinie pour pouvoir déplacer un objet de masse infinie.
Quels sont les problèmes des voyages à des vitesses extrêmement élevées ?
Les voyages seront extrêmement dangereux. Dans l’espace, un litre d’espace contient une dizaine d’atomes (surtout de l’hydrogène), 500.000 photons, et il faut brasser un milliard de litres d’espace pour avoir une chance de trouver une seule poussière comparable à celles des fumées qui s’échappent des cendres. Autrement dit, c’est un vide presque parfait, plus parfait que tout ce que l’on arrive à faire sur Terre ! Le problème, c’est qu'en voyageant à des vitesses comparables à celle de la lumière sur des distances interstellaires, on ne peut plus vraiment considérer l’espace comme “vide”.
Les poussières ont beau être rares, un “tube” d’espace d’un mètre de diamètre et d’une année lumière de long en contient 10 milliards. C'est donc à peu près le nombre de poussières que chaque mètre carré de la coque avant du vaisseau va rencontrer durant un voyage d’une année lumière de distance … Or chacune d’elles frappe extrêmement fort.
A 10% de la vitesse de la lumière, un bouclier de plusieurs centimètres d’acier renforcé au titane est donc indispensable, ne serait-ce que pour protéger l’électronique de bord des radiations. Au delà de 50% de la vitesse de la lumière, on peut considérer le voyage comme le creusement d’un tunnel il faut donc se doter d’une “tête foreuse” de plusieurs centaines de mètres d’épaisseur (par exemple de glace d’eau). Et tout ça, bien sûr, augmente considérablement le poids du vaisseau. Ce qui nous amène un deuxième problème...
L’énergie nécessaire est énorme. Une tonne de matériel propulsée à 10% de la vitesse de la lumière possède une énergie cinétique d'environ 450 millions de milliards de joules. Pour comparer, un peu moins de deux fois l'énergie dégagée par la plus puissante bombe nucléaire jamais testée, la bombe Tsar Bomba ! Pour que la même tonne de matériel atteigne 50% de la vitesse de la lumière, elle possèderait cette fois une énergie cinétique d’environ 10 milliards de milliards de joules soit la production totale d'énergie électrique aux Etats Unis en 2001.
Les voyages dureront quand même des décennies. Si on se déplaçait à 90 % de la vitesse de la lumière à sur une distance de 12 années-lumière le voyage durerait tout de même 13 ans. Grâce à Einstein, pour les passagers le voyage ne durerai que 5 ans et 9 mois car à de très grande vitesse, il se produit un phénomène très pratique qu'on appelle la ”dilatation des durées d'Einstein” c’est à dire que plus l’on se rapproche de la vitesse de la lumière plus le temps ralentit (par rapport à quelqu’un d’immobile).
En conclusion nous ne pourrons surement jamais dépasser la vitesse de la lumière et se déplacer à des vitesses si élevées est dangereux, mais il existe des moyens de se protéger à condition de pouvoir emporter un énorme blindage. L'énergie requise est énorme mais on peut espérer qu'elle sera un jour disponible. Pour notre TPE, nous omettrons la plupart des problèmes de collisions avec les particules présentes dans le vide de l’espace et la survie des passagers du vaisseau.