Vitesse de la lumière
Une nouvelle perspective
Cette page présente une réflexion sur le statut physique de la vitesse de la lumière. La question n’est pas seulement de savoir quelle valeur les observateurs mesurent, mais de déterminer si la lumière possède réellement, dans sa propagation entre deux points, une vitesse invariante pour tous les référentiels inertiels.
Le sens physique du deuxième postulat
Le deuxième postulat de la relativité restreinte, tel qu’énoncé par Einstein en 1905, ne disait pas simplement que les observateurs mesurent la même valeur de la vitesse de la lumière. Le texte original affirme plus précisément que la lumière « se propage toujours dans l’espace vide avec une vitesse déterminée c, indépendamment de l’état de mouvement du corps émetteur ».
Cette formulation semble donc attribuer directement une propriété physique à la propagation elle-même, et non seulement aux résultats des mesures effectuées par les observateurs.
Les manières modernes de présenter ce postulat sont cependant nuancées :
- « Tout observateur inertiel mesure la même valeur de la vitesse de la lumière. »
- « La vitesse de la lumière est la même dans tous les référentiels inertiels. »
- « La vitesse aller-retour de la lumière est constante et égale à c. »
Ces formulations n’ont pas exactement la même portée conceptuelle. Certaines concernent principalement les mesures réalisées par les observateurs, tandis que d’autres tendent à attribuer une propriété physique à la propagation elle-même.
La difficulté apparaît surtout lorsqu’on parle d’une propagation en aller simple entre deux points spatialement distincts. En effet, la vitesse de la lumière ne peut être directement mesurée expérimentalement qu’en aller-retour. Une mesure en aller simple supposerait déjà une synchronisation préalable d’horloges distantes, synchronisation qui utilise précisément la lumière dans le cadre relativiste.
Un raisonnement en partie inexact à l’origine de la relativité restreinte ?
On pensait autrefois que la vitesse de la lumière était invariante vis-à-vis de l’éther, et que, de ce fait, elle ne pouvait pas l’être vis-à-vis de la Terre. L’expérience de Michelson et Morley était censée confirmer cela. Étonnamment, elle semble, au contraire, indiquer que la vitesse de la lumière est invariante par rapport à la Terre.
À partir de là, Albert Einstein est sans doute parvenu à peu près à ce raisonnement : si la vitesse de la lumière est invariante par rapport à la Terre, alors que cette dernière est un corps en mouvement, elle l’est par rapport à n’importe quel corps en état d’inertie.
Si l’on prend en compte l’expérience de pensée du train, cela revient à dire que, si la vitesse de la lumière est invariante vis-à-vis de la gare, elle l’est également par rapport au train en mouvement constant par rapport à la gare.
Ce raisonnement, on pourra s’en apercevoir en lisant ce livre, est en partie inexact. Nous verrons qu’il est sans doute plus juste de penser, même si l’on ne découvre pas immédiatement quelle en est l’origine, qu’il y a une adaptation constante de la vitesse de la lumière à la configuration spatiale.
Extrait du livre Paradoxe sur l’invariance de la vitesse de la lumièreTrois interprétations possibles
Pour comprendre le problème, il ne faut pas nécessairement limiter la réflexion à une opposition entre Einstein et Lorentz. Trois interprétations principales peuvent être distinguées.
1 L’interprétation d’Einstein
La vitesse de la lumière est considérée comme invariante dans tous les référentiels inertiels. Cette position conduit à la relativité de la simultanéité.
2 L’interprétation de Lorentz
La vitesse de la lumière serait isotrope dans un référentiel privilégié, souvent associé à l’éther, mais anisotrope dans les autres référentiels. Les référentiels inertiels ne seraient donc pas physiquement équivalents.
3 L’hypothèse relationnelle
La vitesse de la lumière pourrait être localement invariante par rapport à certains observateurs inertiels, non parce qu’elle serait absolument invariante pour tous les référentiels, mais parce qu’elle dépendrait de la configuration spatiale locale et globale.
Vers une vitesse dépendante de la configuration spatiale
Dans cette perspective, il ne s’agit pas simplement d’opposer Einstein à Lorentz. Il faut envisager une autre possibilité : la vitesse de propagation de la lumière serait fonction de la configuration spatiale. Cette hypothèse conduit à une conception relationnelle de l’espace-temps et du mouvement.
Je cherche à montrer que, d’un point de vue théorique, l’invariance au niveau physique de la vitesse de la lumière implique la relativité de la simultanéité au niveau physique.
Or, cette dernière aboutissant à des contradictions , cela permettrait d’éliminer la première possibilité.
Comme on peut sans doute également écarter l’interprétation de Lorentz, il resterait alors l’interprétation que je propose : une vitesse de la lumière localement invariante par rapport à certains observateurs inertiels, du fait d’une vitesse de la lumière dépendante de la configuration spatiale.
Ce point est notamment à rapprocher de l’effet Shapiro , dans lequel le temps de propagation de la lumière est modifié par la présence d’un champ gravitationnel.
➜ Temps aller-retour et interféromètre
➜ De la réflexion conceptuelle à la vérification expérimentale
Ressource vidéo
La vidéo suivante de Marc Lachièze-Rey permet d’aborder la question de la vitesse, de la vélocité et de la limite relativiste des vitesses.
Elle sert ici de point d’appui pour prolonger la réflexion vers une approche plus relationnelle du mouvement.
Voir la vidéo de Marc Lachièze-ReyY a-t-il vraiment une limite pour les vitesses ?
Les remarques suivantes prolongent la réflexion engagée à partir de cette vidéo. Elles portent notamment sur la distinction entre le temps, le rythme des horloges, la simultanéité, la vitesse et la vélocité.
Merci pour les explications sur la vélocité ; néanmoins, quelques remarques sur des sujets connexes.
Le fait que des horloges ne battent pas le même rythme selon leur position spatiale ou leur mouvement n’implique nullement que le temps n’existe pas. Cela signifie seulement que le rythme des processus physiques dépend des conditions spatiales, ce qui est très différent d’une négation du temps lui-même.
On ne peut pas arbitrairement éliminer la possibilité que deux horloges « identiques », placées dans des conditions spatiales différentes — par exemple à deux étages différents d’un même immeuble — tournent simultanément à des rythmes différents.
De même, le fait que l’on ne puisse pas déterminer la simultanéité de deux événements distants indépendamment de toute convention de mesure n’implique nullement que la simultanéité n’existe pas. Il s’agit là d’une limite de nos procédures de mesure, et non d’une propriété ontologique.
Par ailleurs, le fait que l’on ne mesure que des durées propres — c’est-à-dire des temps locaux associés à des processus physiques particuliers — n’implique pas que le temps en tant que tel n’existe pas.
Là encore, on confond une contrainte opératoire avec une conclusion portant sur la nature du réel. Marc Lachièze-Rey fait l’impasse sur ces distinctions, en passant d’un constat de limitation expérimentale à une interprétation ontologique beaucoup plus forte, qui reste pourtant discutable.
Ceci dit, je trouve que les explications de Marc Lachièze-Rey sur la vélocité sont très intéressantes.
Le fait de remplacer la notion de vitesse par celle de vélocité me paraît ouvrir une piste intéressante. On pourrait y voir une manière de relier plus finement la propagation de la lumière à la structure de l’espace.
La vitesse mesure uniquement la rapidité du mouvement, tandis que la vélocité en précise également la direction. Mais cette direction est généralement définie dans un espace abstrait.
On peut aller plus loin en considérant que la vélocité exprime une orientation dans la structure spatiale réelle, c’est-à-dire dans l’ensemble des relations qui constituent l’espace physique.
Le quadri-vecteur énergie-impulsion unifie énergie et mouvement dans un cadre géométrique. Une extension possible consisterait à les définir comme dépendant de la configuration relationnelle, à la fois locale et globale, ce qui reviendrait à remplacer une description purement géométrique du mouvement par une description relationnelle.
Il s’agit d’une piste de réflexion ; je n’en maîtrise pas encore les aspects techniques, mais elle me paraît intéressante à explorer.
Carlo Rovelli a permis à la définition du temps d’Aristote de devenir non circulaire, ce qui n’était sans doute pas son objectif premier.
Pour Aristote, le temps est le nombre du mouvement, selon l’avant et l’après, nombre dans le sens de ce qui permet de nombrer. Or, Carlo Rovelli nous fait remarquer, en se plaçant dans la perspective d’Aristote, que l’on peut nombrer un mouvement en utilisant un autre mouvement.
À partir de là, il suffit de remplacer « l’avant et l’après », qui sont des notions temporelles, par le fait d’aller d’un point à un autre pour tel corps en mouvement. En effet, si l’on place un obstacle, on voit bien dans quel sens va le mouvement, sans avoir besoin d’utiliser ces notions temporelles.
Cela signifie que la définition du temps d’Aristote, éclairée par la précision apportée par Carlo Rovelli, peut très bien être considérée comme toujours valable.
À partir de là, au lieu de parler de quatre dimensions — trois d’espace et une de temps — on peut envisager une description fondée sur les seules dimensions spatiales, en intégrant les variations temporelles dans la structure même des relations entre les corps.
Une telle perspective devient possible dans une approche entièrement relationnelle de l’espace et du mouvement.
Philippe de Bellescize