Le XIXe siècle a vu plusieurs expériences scientifiques qui ont conduit à la découverte de nombreux phénomènes nouveaux. Parmi ces phénomènes figure la découverte par Hans Oersted de la génération d'induction magnétique par le courant électrique. Plus tard, Michael Faraday a découvert l’effet inverse, appelé induction électromagnétique.

Les équations de James Maxwell - la nature électromagnétique de la lumière

À la suite de ces découvertes, ce que l’on appelle « l’interaction à distance » a été constatée, ce qui a donné naissance à la nouvelle théorie de l’électromagnétisme formulée par Wilhelm Weber, basée sur l’action à longue portée. Plus tard, Maxwell a défini le concept de champs électriques et magnétiques, capables de se générer mutuellement, ce qui constitue une onde électromagnétique. Par la suite, Maxwell a utilisé ce qu'on appelle la « constante électromagnétique » dans ses équations - Avec.

À cette époque, les scientifiques étaient déjà proches du fait que la lumière est de nature électromagnétique. La signification physique de la constante électromagnétique est la vitesse de propagation des excitations électromagnétiques. À la surprise de James Maxwell lui-même, la valeur mesurée de cette constante dans des expériences avec des charges et des courants unitaires s'est avérée égale à la vitesse de la lumière dans le vide.

Avant cette découverte, l’humanité séparait la lumière, l’électricité et le magnétisme. La généralisation de Maxwell nous a permis de jeter un nouveau regard sur la nature de la lumière, en tant que fragment de champs électriques et magnétiques qui se propagent indépendamment dans l'espace.

La figure ci-dessous montre un schéma de la propagation d’une onde électromagnétique, qui est aussi de la lumière. Ici H est le vecteur d’intensité du champ magnétique, E est le vecteur d’intensité du champ électrique. Les deux vecteurs sont perpendiculaires l’un à l’autre, ainsi qu’à la direction de propagation des ondes.

Expérience Michelson - le caractère absolu de la vitesse de la lumière

La physique de cette époque reposait en grande partie sur le principe de relativité de Galilée, selon lequel les lois de la mécanique se ressemblent dans tout référentiel inertiel choisi. Parallèlement, selon l'addition des vitesses, la vitesse de propagation doit dépendre de la vitesse de la source. Cependant, dans ce cas, l’onde électromagnétique se comporterait différemment selon le choix du référentiel, ce qui viole le principe de relativité de Galilée. Ainsi, la théorie apparemment bien formulée de Maxwell était dans un état fragile.

Des expériences ont montré que la vitesse de la lumière ne dépend pas vraiment de la vitesse de la source, ce qui signifie qu'il faut une théorie capable d'expliquer un fait aussi étrange. La meilleure théorie à cette époque s'est avérée être la théorie de « l'éther » - un certain milieu dans lequel la lumière se propage, tout comme le son se propage dans l'air. La vitesse de la lumière serait alors déterminée non pas par la vitesse de déplacement de la source, mais par les caractéristiques du milieu lui-même - l'éther.

De nombreuses expériences ont été entreprises pour découvrir l'éther, dont la plus célèbre est l'expérience du physicien américain Albert Michelson. Bref, on sait que la Terre se déplace dans l’espace. Il est alors logique de supposer qu'il se déplace également à travers l'éther, puisque l'attachement complet de l'éther à la Terre n'est pas seulement le plus haut degré d'égoïsme, mais ne peut tout simplement pas être causé par quoi que ce soit. Si la Terre se déplace à travers un certain milieu dans lequel la lumière se propage, il est alors logique de supposer que l'addition des vitesses a lieu ici. C'est-à-dire que la propagation de la lumière doit dépendre de la direction du mouvement de la Terre qui traverse l'éther. À la suite de ses expériences, Michelson n'a découvert aucune différence entre la vitesse de propagation de la lumière dans les deux sens depuis la Terre.

Le physicien néerlandais Hendrik Lorentz a tenté de résoudre ce problème. Selon son hypothèse, le « vent éthéré » influençait les corps de telle manière que ceux-ci réduisaient leur taille dans la direction de leur mouvement. Sur la base de cette hypothèse, la Terre et l'appareil de Michelson ont subi cette contraction de Lorentz, grâce à laquelle Albert Michelson a obtenu la même vitesse de propagation de la lumière dans les deux directions. Et bien que Lorentz ait réussi dans une certaine mesure à retarder la mort de la théorie de l’éther, les scientifiques estimaient toujours que cette théorie était « tirée par les cheveux ». Ainsi, l’éther était censé avoir un certain nombre de propriétés « de conte de fées », notamment l’apesanteur et l’absence de résistance aux corps en mouvement.

La fin de l’histoire de l’éther survint en 1905 avec la publication de l’article « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement » d’Albert Einstein, alors peu connu.

La théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein

Albert Einstein, 26 ans, a exprimé une vision complètement nouvelle et différente de la nature de l’espace et du temps, qui allait à l’encontre des idées de l’époque et violait en particulier grossièrement le principe de relativité de Galilée. Selon Einstein, l'expérience de Michelson n'a pas donné de résultats positifs car l'espace et le temps ont des propriétés telles que la vitesse de la lumière est une valeur absolue. Autrement dit, quel que soit le cadre de référence dans lequel se trouve l'observateur, la vitesse de la lumière par rapport à lui est toujours la même, 300 000 km/s. De là s'ensuit l'impossibilité d'appliquer l'addition de vitesses par rapport à la lumière - quelle que soit la vitesse à laquelle la source lumineuse se déplace, la vitesse de la lumière ne changera pas (ajoutée ou soustraite).

Einstein a utilisé la contraction de Lorentz pour décrire les changements dans les paramètres des corps se déplaçant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Ainsi, par exemple, la longueur de ces corps diminuera et leur propre temps ralentira. Le coefficient de ces changements est appelé facteur de Lorentz. La célèbre formule d'Einstein E=MC2 inclut en fait également le facteur de Lorentz ( E= ymc2), qui en général est égal à l'unité dans le cas où la vitesse du corps végal à zéro. À mesure que la vitesse du corps approche và la vitesse de la lumière c Facteur de Lorentz oui s'élance vers l'infini. Il s'ensuit que pour accélérer un corps jusqu'à la vitesse de la lumière, il faudra une quantité infinie d'énergie, et il est donc impossible de franchir cette limite de vitesse.

Il existe également un argument en faveur de cette affirmation appelé « la relativité de la simultanéité ».

Paradoxe de la relativité de la simultanéité de SRT

En bref, le phénomène de relativité de la simultanéité est que des horloges situées en différents points de l’espace ne peuvent fonctionner « en même temps » que si elles sont dans le même référentiel inertiel. Autrement dit, l’heure indiquée sur l’horloge dépend du choix du système de référence.

De là découle le paradoxe selon lequel l'événement B, qui est une conséquence de l'événement A, peut se produire simultanément avec lui. De plus, il est possible de choisir des systèmes de référence de telle sorte que l'événement B se produise plus tôt que l'événement qui l'a provoqué A. Un tel phénomène viole le principe de causalité, assez solidement ancré dans la science et n'a jamais été remis en question. Cependant, cette situation hypothétique n'est observée que dans le cas où la distance entre les événements A et B est supérieure à l'intervalle de temps entre eux multiplié par la « constante électromagnétique » - Avec. Ainsi, la constante c, qui est égale à la vitesse de la lumière, est la vitesse maximale de transmission des informations. Autrement, le principe de causalité serait violé.

Comment mesure-t-on la vitesse de la lumière ?

Observations d’Olaf Roemer

Les scientifiques de l’Antiquité croyaient pour la plupart que la lumière se déplace à une vitesse infinie, et la première estimation de la vitesse de la lumière a déjà été obtenue en 1676. L'astronome danois Olaf Roemer a observé Jupiter et ses lunes. Au moment où la Terre et Jupiter se trouvaient sur les côtés opposés du Soleil, l'éclipse de la lune Io de Jupiter a été retardée de 22 minutes par rapport au temps calculé. La seule solution trouvée par Olaf Roemer est que la vitesse de la lumière est limitante. Pour cette raison, les informations sur l’événement observé sont retardées de 22 minutes, car il faut un certain temps pour parcourir la distance entre le satellite Io et le télescope de l’astronome. Selon les calculs de Roemer, la vitesse de la lumière était de 220 000 km/s.

Observations de James Bradley

En 1727, l'astronome anglais James Bradley découvre le phénomène d'aberration lumineuse. L’essence de ce phénomène est que lorsque la Terre se déplace autour du Soleil, ainsi que pendant la propre rotation de la Terre, un déplacement des étoiles dans le ciel nocturne est observé. Étant donné que l'observateur terrestre et la Terre elle-même changent constamment de direction de mouvement par rapport à l'étoile observée, la lumière émise par l'étoile parcourt différentes distances et tombe sous différents angles par rapport à l'observateur au fil du temps. La vitesse limitée de la lumière fait que les étoiles dans le ciel décrivent une ellipse tout au long de l'année. Cette expérience a permis à James Bradley d'estimer la vitesse de la lumière à 308 000 km/s.

L'expérience Louis Fizeau

En 1849, le physicien français Louis Fizeau mena une expérience en laboratoire pour mesurer la vitesse de la lumière. Le physicien a installé un miroir à Paris à une distance de 8 633 mètres de la source, mais selon les calculs de Roemer, la lumière parcourra cette distance en cent millièmes de seconde. Une telle précision horlogère était alors inaccessible. Fizeau utilise alors une roue dentée qui tourne de la source au miroir et du miroir à l'observateur, dont les dents bloquent périodiquement la lumière. Dans le cas où un faisceau lumineux de la source au miroir passait entre les dents et, au retour, heurtait une dent, le physicien doublait la vitesse de rotation de la roue. À mesure que la vitesse de rotation de la roue augmentait, la lumière cessa presque de disparaître jusqu'à ce que la vitesse de rotation atteigne 12,67 tours par seconde. A ce moment, la lumière disparut à nouveau.

Une telle observation signifiait que la lumière « heurtait » constamment les dents et n'avait pas le temps de « se glisser » entre elles. Connaissant la vitesse de rotation de la roue, le nombre de dents et le double de la distance de la source au miroir, Fizeau a calculé la vitesse de la lumière, qui s'est avérée être égale à 315 000 km/sec.

Un an plus tard, un autre physicien français Léon Foucault a mené une expérience similaire dans laquelle il a utilisé un miroir rotatif au lieu d'une roue dentée. La valeur qu'il a obtenue pour la vitesse de la lumière dans l'air était de 298 000 km/s.

Un siècle plus tard, la méthode de Fizeau fut tellement améliorée qu'une expérience similaire réalisée en 1950 par E. Bergstrand donna une valeur de vitesse de 299 793,1 km/s. Ce nombre ne diffère que de 1 km/s de la valeur actuelle de la vitesse de la lumière.

Autres mesures

Avec l’avènement des lasers et la précision croissante des instruments de mesure, il a été possible de réduire l’erreur de mesure jusqu’à 1 m/s. Ainsi, en 1972, des scientifiques américains ont utilisé un laser pour leurs expériences. En mesurant la fréquence et la longueur d’onde du faisceau laser, ils ont pu obtenir une valeur de 299 792 458 m/s. Il est à noter qu'une augmentation supplémentaire de la précision de la mesure de la vitesse de la lumière dans le vide était impossible, non pas à cause des imperfections techniques des instruments, mais à cause de l'erreur de l'étalon du compteur lui-même. C'est pour cette raison qu'en 1983, la XVIIe Conférence générale des poids et mesures a défini le mètre comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en un temps égal à 1/299 792 458 secondes.

Résumons-le

Ainsi, de tout ce qui précède, il résulte que la vitesse de la lumière dans le vide est une constante physique fondamentale qui apparaît dans de nombreuses théories fondamentales. Cette vitesse est absolue, c'est-à-dire qu'elle ne dépend pas du choix du système de référence, et est également égale à la vitesse maximale de transmission des informations. Non seulement les ondes électromagnétiques (la lumière), mais aussi toutes les particules sans masse se déplacent à cette vitesse. Y compris, vraisemblablement, le graviton, une particule d'ondes gravitationnelles. Entre autres choses, en raison d’effets relativistes, le temps de la lumière s’arrête littéralement.

De telles propriétés de la lumière, en particulier l'inapplicabilité du principe d'addition de vitesses, ne rentrent pas dans la tête. Cependant, de nombreuses expériences confirment les propriétés énumérées ci-dessus, et un certain nombre de théories fondamentales reposent précisément sur cette nature de la lumière.

La vitesse de la lumière dans différents milieux varie considérablement. La difficulté est que l’œil humain ne le voit pas dans toute la gamme spectrale. La nature de l’origine des rayons lumineux intéresse les scientifiques depuis l’Antiquité. Les premières tentatives pour calculer la vitesse de la lumière ont été faites dès 300 avant JC. À cette époque, les scientifiques ont déterminé que l’onde se propageait en ligne droite.

Réponse rapide

Ils ont réussi à décrire avec des formules mathématiques les propriétés de la lumière et la trajectoire de son mouvement. est devenu connu 2 mille ans après les premières recherches.

Qu'est-ce que le flux lumineux ?

Un faisceau lumineux est une onde électromagnétique combinée à des photons. Les photons sont considérés comme les éléments les plus simples, également appelés quanta du rayonnement électromagnétique. Le flux lumineux dans tous les spectres est invisible. Il ne se déplace pas dans l’espace au sens traditionnel du terme. Pour décrire l'état d'une onde électromagnétique avec des particules quantiques, la notion d'indice de réfraction d'un milieu optique est introduite.

Le flux lumineux est transféré dans l'espace sous la forme d'un faisceau de petite section. La méthode de déplacement dans l'espace est dérivée de méthodes géométriques. Il s'agit d'un faisceau rectiligne qui, à la frontière avec divers milieux, commence à se réfracter, formant une trajectoire curviligne. Les scientifiques ont prouvé que la vitesse maximale est créée dans le vide ; dans d'autres environnements, la vitesse de déplacement peut varier considérablement. Les scientifiques ont développé un système dans lequel un faisceau lumineux et une valeur dérivée constituent la base de la dérivation et de la lecture de certaines unités SI.

Quelques faits historiques

Il y a environ 900 ans, Avicena suggérait que, quelle que soit sa valeur nominale, la vitesse de la lumière avait une valeur finie. Galileo Galilei a tenté de calculer expérimentalement la vitesse de la lumière. À l’aide de deux lampes de poche, les expérimentateurs ont tenté de mesurer le temps pendant lequel un faisceau lumineux provenant d’un objet serait visible par un autre. Mais une telle expérience s’est avérée infructueuse. La vitesse était si élevée qu’ils n’ont pas pu détecter le temps de retard.

Galileo Galilei a remarqué que Jupiter avait un intervalle entre les éclipses de ses quatre satellites de 1 320 secondes. Sur la base de ces découvertes, en 1676, l'astronome danois Ole Roemer a calculé la vitesse de propagation d'un faisceau lumineux à 222 000 km/s. À cette époque, cette mesure était la plus précise, mais elle ne pouvait pas être vérifiée par des normes terrestres.

Après 200 ans, Louise Fizeau a pu calculer expérimentalement la vitesse d'un faisceau lumineux. Il a créé une installation spéciale avec un miroir et un mécanisme d'engrenage qui tournait à grande vitesse. Le flux lumineux était réfléchi par le miroir et revenait après 8 km. À mesure que la vitesse des roues augmentait, un moment s'est produit où le mécanisme d'engrenage a bloqué le faisceau. Ainsi, la vitesse du faisceau a été fixée à 312 000 kilomètres par seconde.

Foucault a amélioré cet équipement en réduisant les paramètres en remplaçant le mécanisme d'engrenage par un miroir plat. Sa précision de mesure s'est avérée la plus proche de la norme moderne et s'élevait à 288 000 mètres par seconde. Foucault a tenté de calculer la vitesse de la lumière dans un milieu étranger, en utilisant l'eau comme base. Le physicien a pu conclure que cette valeur n'est pas constante et dépend des caractéristiques de réfraction dans un milieu donné.

Un vide est un espace libre de matière. La vitesse de la lumière dans le vide dans le système C est désignée par la lettre latine C. Elle est inaccessible. Aucun élément ne peut être overclocké à une telle valeur. Les physiciens ne peuvent qu’imaginer ce qui pourrait arriver aux objets s’ils accéléraient à un tel point. La vitesse de propagation d'un faisceau lumineux a des caractéristiques constantes, elle est :

• constant et définitif;
• inaccessible et immuable.

Connaître cette constante permet de calculer la vitesse maximale à laquelle les objets peuvent se déplacer dans l'espace. La quantité de propagation d’un faisceau lumineux est reconnue comme une constante fondamentale. Il est utilisé pour caractériser l’espace-temps. Il s'agit de la valeur maximale autorisée pour les particules en mouvement. Quelle est la vitesse de la lumière dans le vide ? La valeur actuelle a été obtenue grâce à des mesures en laboratoire et à des calculs mathématiques. Elle égal à 299,792,458 mètres par seconde avec une précision de ± 1,2 m/s. Dans de nombreuses disciplines, y compris scolaires, des calculs approximatifs sont utilisés pour résoudre des problèmes. Un indicateur égal à 3 108 m/s est pris.

Les ondes lumineuses du spectre visible humain et les ondes de rayons X peuvent être accélérées jusqu'à des lectures proches de la vitesse de la lumière. Ils ne peuvent égaler cette constante, ni dépasser sa valeur. La constante a été dérivée du suivi du comportement des rayons cosmiques au moment de leur accélération dans des accélérateurs spéciaux. Cela dépend du milieu inertiel dans lequel se propage le faisceau. Dans l'eau, la transmission de la lumière est 25 % inférieure, et dans l'air, elle dépendra de la température et de la pression au moment des calculs.

Tous les calculs ont été effectués en utilisant la théorie de la relativité et la loi de causalité dérivée d'Einstein. Le physicien estime que si les objets atteignent une vitesse de 1 079 252 848,8 kilomètres/heure et la dépassent, des changements irréversibles se produiront dans la structure de notre monde et le système s'effondrera. Le compte à rebours va commencer, perturbant l’ordre des événements.

La définition du mètre est dérivée de la vitesse d'un rayon lumineux. On entend par là la zone qu'un faisceau lumineux parvient à parcourir en 1/299792458 de seconde. Ce concept ne doit pas être confondu avec la norme. L'étalon du compteur est un dispositif technique spécial à base de cadmium avec un ombrage qui permet de voir physiquement une distance donnée.

Pour déterminer la vitesse (distance parcourue/temps pris), nous devons choisir des normes de distance et de temps. Différentes normes peuvent donner différentes mesures de vitesse.

La vitesse de la lumière est-elle constante ?

[En fait, la constante de structure fine dépend de l'échelle d'énergie, mais nous faisons ici référence à sa limite de basse énergie.]

Théorie spéciale de la relativité

La définition du compteur dans le système SI repose également sur l'hypothèse de l'exactitude de la théorie de la relativité. La vitesse de la lumière est constante conformément au postulat de base de la théorie de la relativité. Ce postulat contient deux idées :

• La vitesse de la lumière ne dépend pas du mouvement de l'observateur.
• La vitesse de la lumière ne dépend pas des coordonnées dans le temps et dans l'espace.

L’idée selon laquelle la vitesse de la lumière est indépendante de la vitesse de l’observateur est contre-intuitive. Certaines personnes ne peuvent même pas être d’accord sur le fait que cette idée soit logique. En 1905, Einstein montra que cette idée était logiquement correcte si l’on abandonnait l’hypothèse de la nature absolue de l’espace et du temps.

En 1879, on croyait que la lumière devait voyager à travers un milieu dans l’espace, tout comme le son voyageait à travers l’air et d’autres substances. Michelson et Morley a mené une expérience pour détecter l'éther en observant les changements dans la vitesse de la lumière lorsque la direction du mouvement de la Terre par rapport au Soleil change tout au long de l'année. À leur grande surprise, aucun changement dans la vitesse de la lumière n’a été détecté.

Docteur en Sciences Techniques A. GOLUBEV

Le concept de vitesse de propagation des ondes n’est simple qu’en l’absence de dispersion.

Lin Westergaard Heu près de l'installation où a été réalisée une expérience unique.

Au printemps dernier, les magazines scientifiques et de vulgarisation scientifique du monde entier ont rapporté des nouvelles sensationnelles. Des physiciens américains ont mené une expérience unique : ils ont réussi à réduire la vitesse de la lumière à 17 mètres par seconde.

Tout le monde sait que la lumière se déplace à une vitesse énorme : près de 300 000 kilomètres par seconde. La valeur exacte de sa valeur dans le vide = 299792458 m/s est une constante physique fondamentale. Selon la théorie de la relativité, il s’agit de la vitesse maximale possible de transmission du signal.

Dans tout milieu transparent, la lumière se propage plus lentement. Sa vitesse v dépend de l'indice de réfraction du milieu n : v = c/n. L'indice de réfraction de l'air est de 1,0003, de l'eau - 1,33, de divers types de verre - de 1,5 à 1,8. Le diamant a l'une des valeurs d'indice de réfraction les plus élevées - 2,42. Ainsi, la vitesse de la lumière dans les substances ordinaires ne diminuera pas de plus de 2,5 fois.

Début 1999, un groupe de physiciens du Rowland Institute for Scientific Research de l'Université Harvard (Massachusetts, États-Unis) et de l'Université Stanford (Californie) a étudié l'effet quantique macroscopique - ce qu'on appelle la transparence auto-induite, faisant passer des impulsions laser à travers un milieu. qui est normalement opaque. Ce milieu était constitué d’atomes de sodium dans un état spécial appelé condensat de Bose-Einstein. Lorsqu'il est irradié par une impulsion laser, il acquiert des propriétés optiques qui réduisent la vitesse de groupe de l'impulsion de 20 millions de fois par rapport à la vitesse dans le vide. Les expérimentateurs ont réussi à augmenter la vitesse de la lumière à 17 m/s !

Avant de décrire l’essence de cette expérience unique, rappelons la signification de quelques concepts physiques.

Vitesse de groupe. Lorsque la lumière se propage à travers un milieu, deux vitesses se distinguent : la phase et le groupe. Vitesse de phase v f caractérise le mouvement de la phase d'une onde monochromatique idéale - une onde sinusoïdale infinie de strictement une fréquence et détermine la direction de propagation de la lumière. La vitesse de phase dans le milieu correspond à l'indice de réfraction de phase - le même dont les valeurs sont mesurées pour diverses substances. L'indice de réfraction de phase, et donc la vitesse de phase, dépend de la longueur d'onde. Cette dépendance est appelée dispersion ; elle conduit notamment à la décomposition de la lumière blanche passant à travers un prisme en un spectre.

Mais une véritable onde lumineuse est constituée d’un ensemble d’ondes de fréquences différentes, regroupées dans un certain intervalle spectral. Un tel ensemble est appelé groupe d’ondes, paquet d’ondes ou impulsion lumineuse. Ces ondes se propagent dans le milieu à différentes vitesses de phase en raison de la dispersion. Dans ce cas, l’impulsion s’étire et sa forme change. Par conséquent, pour décrire le mouvement d’une impulsion, d’un groupe d’ondes dans son ensemble, la notion de vitesse de groupe est introduite. Cela n'a de sens que dans le cas d'un spectre étroit et dans un milieu à faible dispersion, lorsque la différence entre les vitesses de phase des composants individuels est faible. Pour mieux comprendre la situation, nous pouvons donner une analogie claire.

Imaginons que sept athlètes s'alignent sur la ligne de départ, vêtus de maillots de couleurs différentes selon les couleurs du spectre : rouge, orange, jaune, etc. Au signal du pistolet de départ, ils se mettent simultanément à courir, mais le « rouge » " L'athlète court plus vite que le "orange". , "orange" est plus rapide que "jaune", etc., de sorte qu'ils s'étirent en une chaîne dont la longueur augmente continuellement. Imaginez maintenant que nous les regardions d'en haut, d'une hauteur telle que nous ne pouvons pas distinguer les coureurs individuels, mais que nous voyons simplement un endroit hétéroclite. Est-il possible de parler de la vitesse de déplacement de ce spot dans son ensemble ? C'est possible, mais seulement si ce n'est pas très flou, lorsque la différence de vitesse des coureurs de différentes couleurs est faible. Dans le cas contraire, le spot risque de s'étendre sur toute la longueur du parcours, et la question de sa vitesse perdra de son sens. Cela correspond à une forte dispersion – un large éventail de vitesses. Si les coureurs sont vêtus de maillots presque de la même couleur, ne différant que par les nuances (par exemple, du rouge foncé au rouge clair), cela correspond au cas d'un spectre étroit. Ensuite, les vitesses des coureurs ne différeront pas beaucoup, le groupe restera assez compact lors du déplacement et pourra être caractérisé par une valeur de vitesse bien définie, appelée vitesse de groupe.

Statistiques de Bose-Einstein. C'est l'un des types de statistiques dites quantiques - une théorie qui décrit l'état de systèmes contenant un très grand nombre de particules obéissant aux lois de la mécanique quantique.

Toutes les particules - tant celles contenues dans un atome que celles libres - sont divisées en deux classes. Pour l’un d’eux, le principe d’exclusion de Pauli est valable, selon lequel il ne peut y avoir plus d’une particule à chaque niveau d’énergie. Les particules de cette classe sont appelées fermions (ce sont des électrons, des protons et des neutrons ; la même classe comprend des particules constituées d'un nombre impair de fermions), et la loi de leur distribution est appelée statistique de Fermi-Dirac. Les particules d'une autre classe sont appelées bosons et n'obéissent pas au principe de Pauli : un nombre illimité de bosons peuvent s'accumuler à un même niveau d'énergie. Dans ce cas, nous parlons de statistiques de Bose-Einstein. Les bosons comprennent des photons, certaines particules élémentaires à courte durée de vie (par exemple les mésons pi), ainsi que des atomes constitués d'un nombre pair de fermions. À très basse température, les bosons se rassemblent à leur niveau d’énergie le plus bas (de base) ; alors ils disent que la condensation de Bose-Einstein se produit. Les atomes de condensation perdent leurs propriétés individuelles et plusieurs millions d'entre eux commencent à se comporter comme un seul, leurs fonctions d'onde fusionnent et leur comportement est décrit par une seule équation. Ceci permet de dire que les atomes du condensat sont devenus cohérents, comme les photons dans le rayonnement laser. Des chercheurs de l'Institut national américain des normes et technologies ont utilisé cette propriété du condensat de Bose-Einstein pour créer un « laser atomique » (voir Science et Vie n° 10, 1997).

Transparence auto-induite. C’est l’un des effets de l’optique non linéaire – l’optique de champs lumineux puissants. Elle consiste dans le fait qu'une impulsion lumineuse très courte et puissante traverse sans atténuation un milieu qui absorbe un rayonnement continu ou des impulsions longues : un milieu opaque lui devient transparent. La transparence auto-induite est observée dans les gaz raréfiés avec une durée d'impulsion de l'ordre de 10 -7 - 10 -8 s et dans les milieux condensés - inférieure à 10 -11 s. Dans ce cas, un retard de l'impulsion se produit - sa vitesse de groupe diminue considérablement. Cet effet a été démontré pour la première fois par McCall et Khan en 1967 sur du rubis à une température de 4 K. En 1970, des retards correspondant à des vitesses d'impulsion trois ordres de grandeur (1000 fois) inférieures à la vitesse de la lumière dans le vide ont été obtenus dans le rubidium. vapeur.

Passons maintenant à l’expérience unique de 1999. Elle a été réalisée par Len Westergaard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi (Rowland Institute) et Steve Harris (Stanford University). Ils ont refroidi un nuage dense d’atomes de sodium retenus magnétiquement jusqu’à ce qu’ils reviennent à l’état fondamental, le niveau d’énergie le plus bas. Dans ce cas, seuls les atomes dont le moment dipolaire magnétique était dirigé dans la direction opposée à la direction du champ magnétique ont été isolés. Les chercheurs ont ensuite refroidi le nuage à moins de 435 nK (nanokelvins, soit 0,000000435 K, presque zéro absolu).

Après cela, le condensat a été éclairé avec un « faisceau de couplage » de lumière laser polarisée linéairement avec une fréquence correspondant à sa faible énergie d’excitation. Les atomes sont passés à un niveau d’énergie plus élevé et ont cessé d’absorber la lumière. En conséquence, le condensat est devenu transparent au rayonnement laser suivant. Et ici, des effets très étranges et inhabituels sont apparus. Les mesures ont montré que, dans certaines conditions, une impulsion traversant un condensat de Bose-Einstein subit un retard correspondant au ralentissement de la lumière de plus de sept ordres de grandeur, soit un facteur de 20 millions. La vitesse de l'impulsion lumineuse a ralenti jusqu'à 17 m/s et sa longueur a diminué plusieurs fois jusqu'à 43 micromètres.

Les chercheurs pensent qu'en évitant le chauffage laser du condensat, ils pourront ralentir encore plus la lumière, peut-être jusqu'à une vitesse de plusieurs centimètres par seconde.

Un système doté de caractéristiques aussi inhabituelles permettra d'étudier les propriétés optiques quantiques de la matière, ainsi que de créer divers dispositifs pour les ordinateurs quantiques du futur, par exemple des commutateurs à photon unique.

épigraphe
L'enseignant demande : Les enfants, quelle est la chose la plus rapide au monde ?
Tanechka dit : Le mot le plus rapide. Je viens de dire, tu ne reviendras pas.
Vanechka dit : Non, la lumière est la plus rapide.
Dès que j’ai appuyé sur l’interrupteur, la pièce est immédiatement devenue lumineuse.
Et Vovochka objecte : La chose la plus rapide au monde est la diarrhée.
Une fois, j'étais si impatient que je n'ai pas dit un mot
Je n’ai pas eu le temps de dire quoi que ce soit ni d’allumer la lumière.

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi la vitesse de la lumière est maximale, finie et constante dans notre Univers ? C'est une question très intéressante, et tout de suite, en guise de spoiler, je vais révéler le terrible secret de la réponse - personne ne sait exactement pourquoi. La vitesse de la lumière est prise, c'est-à-dire mentalement accepté pour une constante, et sur ce postulat, ainsi que sur l'idée que tous les référentiels inertiels sont égaux, Albert Einstein a construit sa théorie de la relativité restreinte, qui fait chier les scientifiques depuis cent ans, permettant à Einstein de tirer la langue au monde en toute impunité et souriant dans sa tombe face aux dimensions du cochon qu'il a planté sur toute l'humanité.

Mais pourquoi, en fait, est-il si constant, si maximum et si final, il n'y a pas de réponse, ce n'est qu'un axiome, c'est-à-dire une déclaration prise sur la foi, confirmée par des observations et le bon sens, mais non déductible logiquement ou mathématiquement de nulle part. Et il est fort probable que ce ne soit pas si vrai, mais personne n'a encore pu le réfuter avec aucune expérience.

J'ai mes propres réflexions à ce sujet, j'y reviendrai plus tard, mais pour l'instant, gardons les choses simples, sur vos doigts™ Je vais essayer de répondre à au moins une partie : que signifie la vitesse de la lumière « constante ».

Non, je ne vais pas vous ennuyer avec des expériences de réflexion sur ce qui se passerait si vous allumiez les phares d’une fusée volant à la vitesse de la lumière, etc., c’est un peu hors sujet maintenant.

Si vous regardez dans un ouvrage de référence ou sur Wikipédia, la vitesse de la lumière dans le vide est définie comme une constante physique fondamentale qui exactementégal à 299 792 458 m/s. Eh bien, en gros, ce sera environ 300 000 km/s, mais si tout à fait vrai- 299 792 458 mètres par seconde.

Il semblerait, d'où vient une telle précision ? Toute constante mathématique ou physique, quelle qu'elle soit, même Pi, même la base du logarithme népérien e, même la constante gravitationnelle G, ou la constante de Planck h, contiennent toujours quelques nombres après la virgule. Dans Pi, environ 5 000 milliards de ces décimales sont actuellement connues (bien que seuls les 39 premiers chiffres aient une signification physique), la constante gravitationnelle est aujourd'hui définie comme G ~ 6,67384(80)x10 -11, et la constante Plank h~ 6,62606957(29)x10-34 .

La vitesse de la lumière dans le vide est lisse 299 792 458 m/s, ni un centimètre de plus, ni une nanoseconde de moins. Vous voulez savoir d'où vient cette précision ?

Tout a commencé comme d'habitude avec les Grecs de l'Antiquité. La science en tant que telle, au sens moderne du terme, n’existait pas chez eux. Les philosophes de la Grèce antique étaient appelés philosophes parce qu'ils ont d'abord inventé des conneries dans leur tête, puis, en utilisant des conclusions logiques (et parfois de véritables expériences physiques), ils ont essayé de les prouver ou de les réfuter. Cependant, l'utilisation de mesures et de phénomènes physiques réels était considérée par eux comme une preuve de « seconde classe », qui ne peut être comparée aux conclusions logiques de première classe obtenues directement de la tête.

La première personne à avoir réfléchi à l'existence de la vitesse propre de la lumière est considérée comme le philosophe Empidocle, qui a déclaré que la lumière est un mouvement et que le mouvement doit avoir une vitesse. Aristote s’y est opposé, qui soutenait que la lumière est simplement la présence de quelque chose dans la nature, et c’est tout. Et rien ne bouge nulle part. Mais c'est autre chose ! Euclide et Ptolémée croyaient généralement que la lumière est émise par nos yeux, puis tombe sur les objets, et donc nous les voyons. En bref, les anciens Grecs étaient aussi stupides que possible jusqu’à ce qu’ils soient conquis par les mêmes anciens Romains.

Au Moyen Âge, la plupart des scientifiques continuaient de croire que la vitesse de propagation de la lumière était infinie, parmi lesquels Descartes, Kepler et Fermat.

Mais certains, comme Galilée, pensaient que la lumière avait une vitesse et pouvait donc être mesurée. L'expérience de Galilée, qui alluma une lampe et éclaira un assistant situé à plusieurs kilomètres de Galilée, est largement connue. Ayant vu la lumière, l'assistant alluma sa lampe, et Galilée tenta de mesurer le délai entre ces instants. Naturellement, il n’y est pas parvenu et a finalement été contraint d’écrire dans ses écrits que si la lumière a une vitesse, alors elle est extrêmement élevée et ne peut être mesurée par l’effort humain et peut donc être considérée comme infinie.

La première mesure documentée de la vitesse de la lumière est attribuée à l'astronome danois Olaf Roemer en 1676. Cette année-là, les astronomes, armés des télescopes de ce même Galilée, observaient activement les satellites de Jupiter et calculaient même leurs périodes de rotation. Les scientifiques ont déterminé que la lune la plus proche de Jupiter, Io, a une période de rotation d'environ 42 heures. Cependant, Roemer a remarqué que parfois Io apparaît derrière Jupiter 11 minutes plus tôt que prévu, et parfois 11 minutes plus tard. Il s'est avéré que Io apparaît plus tôt dans les périodes où la Terre, tournant autour du Soleil, s'approche de Jupiter à une distance minimale et est en retard de 11 minutes lorsque la Terre est à l'opposé de l'orbite, et est donc plus éloignée de Jupiter.

En divisant bêtement le diamètre de l'orbite terrestre (et c'était déjà plus ou moins connu à l'époque) par 22 minutes, Roemer a obtenu la vitesse de la lumière de 220 000 km/s, manquant ainsi la vraie valeur d'environ un tiers.

En 1729, l'astronome anglais James Bradley, observant parallaxe(par une légère déviation de localisation) l'étoile Etamin (Gamma Draconis) a découvert l'effet aberrations de lumière, c'est à dire. un changement dans la position des étoiles les plus proches de nous dans le ciel en raison du mouvement de la Terre autour du Soleil.

De l'effet de l'aberration lumineuse, découvert par Bradley, on peut également conclure que la lumière a une vitesse de propagation finie, dont Bradley s'est emparé, la calculant à environ 301 000 km/s, ce qui est déjà avec une précision de 1 % de la valeur connue aujourd'hui.

Cela a été suivi par toutes les mesures clarifiantes effectuées par d'autres scientifiques, mais comme on croyait que la lumière est une onde et qu'une onde ne peut pas se propager d'elle-même, il faut « exciter » quelque chose, l'idée de l'existence d'un « L'éther lumineux est né, dont la découverte a lamentablement échoué au physicien américain Albert Michelson. Il n'a découvert aucun éther lumineux, mais en 1879 il a précisé la vitesse de la lumière à 299 910 ± 50 km/s.

À peu près à la même époque, Maxwell a publié sa théorie de l'électromagnétisme, ce qui signifie que la vitesse de la lumière est devenue possible non seulement de mesurer directement, mais également de déduire des valeurs de perméabilité électrique et magnétique, ce qui a été fait en clarifiant la valeur de la vitesse de la lumière à 299 788 km/s en 1907.

Enfin, Einstein a déclaré que la vitesse de la lumière dans le vide est une constante et ne dépend de rien. Au contraire, tout le reste - l'ajout de vitesses et la recherche des systèmes de référence corrects, les effets de la dilatation du temps et les changements de distance lors de déplacements à grande vitesse et bien d'autres effets relativistes dépendent de la vitesse de la lumière (car elle est incluse dans toutes les formules comme une constante). En bref, tout dans le monde est relatif, et la vitesse de la lumière est la quantité par rapport à laquelle toutes les autres choses dans notre monde sont relatives. Ici, peut-être, il faudrait donner la palme à Lorentz, mais ne soyons pas mercantiles, Einstein est Einstein.

La détermination exacte de la valeur de cette constante s'est poursuivie tout au long du XXe siècle, les scientifiques trouvant chaque décennie de plus en plus de nombres après la virguleà la vitesse de la lumière, jusqu'à ce que de vagues soupçons commencent à surgir dans leur tête.

En déterminant de plus en plus précisément combien de mètres la lumière parcourt dans le vide par seconde, les scientifiques ont commencé à se demander ce que nous mesurions en mètres ? Après tout, en fin de compte, un mètre n'est que la longueur d'un bâton de platine-iridium que quelqu'un a oublié dans un musée près de Paris !

Et au début, l’idée d’introduire un compteur étalon semblait géniale. Afin de ne pas souffrir des mètres, pieds et autres brasses obliques, les Français décidèrent en 1791 de prendre comme mesure étalon de longueur un dix millionième de la distance du pôle Nord à l'équateur le long du méridien passant par Paris. Ils mesurèrent cette distance avec la précision disponible à l'époque, fondèrent un bâton en alliage platine-iridium (plus précisément, d'abord laiton, puis platine, puis platine-iridium) et le placèrent dans cette Chambre des Poids et Mesures très parisienne comme un échantillon. Plus nous avançons, plus il s'avère que la surface de la Terre change, que les continents se déforment, que les méridiens se déplacent, et d'un dix millionième ils ont oublié et ont commencé à compter la longueur du bâton qui se trouve dans le cercueil de cristal du "mausolée" parisien en guise de mètre.

Une telle idolâtrie ne convient pas à un vrai scientifique, ce n'est pas la Place Rouge (!), et en 1960, il a été décidé de simplifier le concept du mètre à une définition tout à fait évidente - le mètre est exactement égal à 1 650 763,73 longueurs d'onde émises par la transition de électrons entre les niveaux d'énergie 2p10 et 5d5 de l'isotope non excité de l'élément Krypton-86 dans le vide. Eh bien, combien plus clair ?

Cela a duré 23 ans, tandis que la vitesse de la lumière dans le vide était mesurée avec une précision croissante, jusqu'à ce qu'en 1983, même les rétrogrades les plus obstinés se rendent compte que la vitesse de la lumière est la constante la plus précise et la plus idéale, et non une sorte de constante. d'isotope du krypton. Et il a été décidé de tout bouleverser (plus précisément, si on y réfléchit, il a été décidé de tout bouleverser), maintenant la vitesse de la lumière Avec est une vraie constante, et un mètre est la distance parcourue par la lumière dans le vide en (1/299 792 458) secondes.

La valeur réelle de la vitesse de la lumière continue d'être clarifiée aujourd'hui, mais ce qui est intéressant, c'est qu'à chaque nouvelle expérience, les scientifiques ne clarifient pas la vitesse de la lumière, mais la véritable longueur du mètre. Et plus la vitesse de la lumière sera déterminée avec précision dans les décennies à venir, plus le compteur que nous obtiendrons sera finalement précis.

Et non l'inverse.

Eh bien, revenons maintenant à nos moutons. Pourquoi la vitesse de la lumière dans le vide de notre Univers est-elle maximale, finie et constante ? C'est ainsi que je le comprends.

Tout le monde sait que la vitesse du son dans le métal, et dans presque tous les corps solides, est bien supérieure à la vitesse du son dans l’air. C'est très simple à vérifier : il suffit de poser votre oreille contre le rail et vous pourrez entendre les bruits d'un train qui approche bien plus tôt que dans les airs. Pourquoi donc? Il est évident que le son est essentiellement le même, et la vitesse de sa propagation dépend du milieu, de la configuration des molécules qui composent ce milieu, de sa densité, des paramètres de son réseau cristallin - bref, de l'état actuel du support à travers lequel le son est transmis.

Et bien que l'idée de l'éther lumineux ait été abandonnée depuis longtemps, le vide à travers lequel se propagent les ondes électromagnétiques n'est absolument rien d'absolu, aussi vide qu'il puisse nous paraître.

Je comprends que l’analogie soit un peu tirée par les cheveux, mais c’est vrai sur vos doigts™ même! Précisément à titre d'analogie accessible, et en aucun cas comme une transition directe d'un ensemble de lois physiques à d'autres, je vous demande seulement d'imaginer que la vitesse de propagation des vibrations électromagnétiques (et en général de toutes, y compris les gluons et gravitationnelles), tout comme la vitesse du son dans l’acier est « cousue » dans le rail. De là, nous dansons.

UPD : D’ailleurs, j’invite les « lecteurs avec un astérisque » à imaginer si la vitesse de la lumière reste constante dans un « vide difficile ». Par exemple, on pense qu'à des énergies de l'ordre de température de 10 à 30 K, le vide cesse simplement de bouillir avec des particules virtuelles et commence à « s'évaporer », c'est-à-dire le tissu de l'espace s'effondre, les quantités de Planck se brouillent et perdent leur signification physique, etc. La vitesse de la lumière dans un tel vide serait-elle encore égale à c, ou cela marquera-t-il le début d’une nouvelle théorie du « vide relativiste » avec des corrections comme les coefficients de Lorentz aux vitesses extrêmes ? Je ne sais pas, je ne sais pas, le temps nous le dira...