Les savants ont essayé de mesurer la vitesse de la lumière pendant des siècles. Et ils ont fini par trouver : elle se déplace à près de 300 000 kilomètres par seconde. Décoiffant !

Mais la lumière va-t-elle toujours à cette vitesse folle ? Sans jamais la dépasser ou ralentir quand elle traverse du verre par exemple ?

Accrochez vos ceintures, on va la suivre !

 
La vitesse de la lumière

Quand on parle de la lumière, on utilise parfois le mot "célérité" à la place du mot "vitesse".
Au fond, cela veut dire la même chose : "célérité" vient du mot latin celeritas (de celer qui signifie "rapide") qui veut dire vitesse...
Le mot celeritas est d'ailleurs à la racine d'autres mots liés à la vitesse, comme "accélerer" (augmenter la vitesse) ou "décélerer" (réduire la vitesse).
Mais vous lirez dans cette page que choisir de dire "célérité de la lumière" quand on veut parler de "vitesse de la lumière" a un sens particulier.

De nombreux savants ont étudié la lumière et essayé de mesurer sa vitesse, ce qui n'est pas facile tant la lumière est rapide.

Mais ils ont fini par arriver à cette conclusion, aujourd'hui tout à fait certaine :

Dans le vide, la lumière se propage toujours en ligne droite et à la même vitesse.
On appelle cette vitesse "célérité de la lumière" et on la note c.
Sa valeur est c = 299 792 458 m.s^-1

En 1 seconde, un rayon lumineux parcourt donc presque 300 000 km : presque 8 fois le tour de la Terre, en 1 seconde...

Pas étonnant qu'on ait longtemps eu du mal à mesurer cette vitesse !

Une astuce pour retenir la valeur de c :
en remplaçant chaque mot de la phrase "la constante lumineuse restera désormais là, dans votre cervelle" par le nombre de lettres qui le composent, on obtient les chiffres dans l'ordre : 2 9 9  7 9 2  4 5 8. Reste ensuite simplement à se souvenir qu'on s'exprime en mètres par seconde (m.s^-1).

Pourquoi préciser "dans le vide" quand on parle de c ?

En donnant cette valeur constante à la vitesse de la lumière, on a l'air de dire que tout rayon lumineux (visible ou non) se déplace à cette vitesse c, point barre.

Mais ce n'est pas vrai : cette valeur est simplement toujours exacte dans le vide (quand la lumière ne rencontre aucun atome sur sa route, comme dans l'espace).

Par contre, dès que la lumière doit se frayer un passage entre des atomes, la situation change et la lumière ralentit parce qu'elle rencontre des atomes sur sa route...

La vitesse de la lumière ailleurs que dans le vide

On sait tous que la lumière peut traverser toute sorte de milieux, du moment qu'ils sont "transparents", comme l'air, l'eau, le verre...

Cette phrase peut paraître idiote si on sait que "transparent" veut exactement dire "capable de laisser passer la lumière"... Mais tous les milieux ne sont pas transparents de la même façon : à part dans le vide où la lumière passe sans encombre, dans tout autre milieu sa vitesse dépend de "comment" les atomes du matériau freinent son passage.

Ce "comment" dépend de quels atomes composent le matériau, mais surtout de quelle façon ils sont rangés : plus les atomes d'un matériau sont "bien alignés", plus la lumière réussit à y trouver des trajectoires pour le traverser.

Avec du carbone, on peut par exemple fabriquer du charbon - qui ne laisse pas passer la lumière du tout - et du diamant ! Pour la lumière, toute la différence est une question de rangement !

Dans la pratique, cela se traduit en donnant à chaque matériau, un nombre que l'on appelle "indice optique" et que l'on note "n".

Dans un matériau d'indice optique n, la lumière se déplace à vitesse v = c / n.

Evidemment, aucun milieu n'est plus facile à traverser que le vide (puisqu'il n'y a aucun atome) : dans le vide, n = 1 et la vitesse de la lumière est donc bien c.

Mais dans n'importe quel autre milieu (gazeux, liquide ou solide), il y a des atomes qui la freinent... et l'indice optique du matériau est donc toujours supérieur à 1 (n > 1). La vitesse de la lumière y sera donc inférieure à c.

• dans l'air n = 1,0003 : il y a relativement peu d'atomes, donc la vitesse v de la lumière y reste à peu près égale à c (la différence est très très faible : garder la valeur 299 792 458 est une excellente approximation)
• dans l'eau, n = 1,333
• dans le verre, n = 1,5 : la vitesse de la lumière est plus faible : v_verre = 299 792 458 / 1,5 = 199 861 638 m.s-1 soit environ 200 000 km par seconde

Remarque :

L'indice optique d'un matériau dépend aussi d'autres facteurs, comme la température (et la pression pour les gaz). Les indices optiques qui sont donnés sont valables pour une température précise (généralement pour la température de 20°C ou 25°C). Par exemple, l'indice de l'air à 1 atm de pression, vaut 1,000272 à 20°C mais 1,000293 à 0°C.

Peut-on aller "plus vite que la lumière" ?

La valeur c est une valeur maximale : dans le vide, impossible d'aller plus vite que cette vitesse là. Et, comme on vient de le voir, la vitesse est toujours plus basse dans n'importe quel autre milieu.

Par contre, quand on parle de dépasser la vitesse de la lumière dans un matériau, on compare la vitesse de quelque chose à la vitesse de la lumière dans ce matériau v_matériau.

Comme v_matériau < c, il est donc théoriquement possible d'avoir une vitesse comprise entre v_matériau et c.

Dans ce cas, on dépasserait bien la vitesse de la lumière (sous-entendu : la vitesse v_matériau de la lumière dans ce matériau), mais pas la célérité de la lumière, c.

Donc, on peut donc éventuellement dépasser la vitesse de la lumière, mais jamais la valeur de sa célérité (c) !

Tous les rayons lumineux traversent-ils les matériaux de la même façon ?

Quand on dit que l'indice optique de l'eau vaut n = 1,33 par exemple, on parle d'un indice optique pour la lumière blanche.

L'indice optique d'un matériau est donc une sorte de moyenne pour l'ensemble des rayons lumineux qui forment la lumière blanche (voir la page : la lumière visible et ses couleurs) mais pour chaque couleur différente, les rayons ont un indice optique différent.

Pour l'eau, par exemple, l'indice optique est n _eau = 1,333

MAIS si on s'intéresse à une longueur d'onde en particulier, il faudra prendre le "bon indice optique". Par exemple :

• n _eau (λ = 226,5 nm) = 1,39336 (du côté des rayons violets)
• n _eau (λ = 589,0 nm) = 1,33298 (~vert, au milieu du spectre visible)
• n _eau (λ = 1 014 nm) = 1,32524 (du côté des rayons rouges)

Dans l'eau (et de façon générale dans tous les matériaux), la lumière rouge se déplace donc plus vite que la lumière bleue.

(Et comme l'indice optique influence aussi la façon dont chaque rayon lumineux est dévié en passant d'un milieu à un autre, cela explique aussi beaucoup d'autres phénomènes optiques : voir les chemins de la lumière)

Remarques :

• si on a un matériau où les atomes ne sont pas alignés de la même façon dans toutes les directions (de droite à gauche ou de haut en bas, par exemple), il faut aussi calculer un indice optique pour chaque direction différente.
• Et dans ce cas, si on veut regarder de près chaque couleur, il faut même calculer un indice différent pour chaque direction et pour chaque couleur.
• Tout cela est aussi vrai pour la lumière non visible (le mot "couleur" peut faire oublier que les rayons lumineux appartiennent à la famille des ondes électromagnétiques, et que certaines sont des rayons lumineux invisibles pour nos yeux, comme les rayons X, les ondes radio, etc...). Mais chaque fréquence lumineuse - visible ou non - a son propre indice optique pour un matériau donné.

Une petite précision qui ne contredit pas tout ce qui précède...

En fait la physique est formelle, les photons qui composent la lumière vont tous strictement à la même vitesse : c. Ni plus vite, ni plus lentement : un photon n'a pas le choix, il a une seule vitesse possible et c'est 299 792 458 m.s^-1 !

Dans le vide et dans l'air, c'est évident : dans un rayon de lumière blanche, tous les rayons de différentes couleurs voyagent "groupés", à la même vitesse.

Dans un matériau, tous les photons voyagent aussi à cette vitesse c mais seulement aux moments où ils ne rencontrent aucun atome (sur les traits gris du dessin ci-contre). Ce qui explique qu'ils ont l'air d'aller moins vite que dans le vide, c'est qu'à chaque fois qu'un photon rencontre un atome, il interagit avec lui et "perd du temps". 

Et comme chaque photon a une énergie différente selon sa couleur, il va aussi avoir une interaction différente avec les atomes qu'il rencontre, ce qui explique que pour chaque couleur différente, un photon "perd" plus ou moins de temps à passer l'obstacle : au final les photons ont une vitesse moyenne différente selon leur couleur.

Au final, rencontrer des atomes diminuera donc la vitesse du rayon lumineux... mais pas celle des photons !

Donc, en résumant, la vitesse "de la lumière" :

• est toujours la même si on veut dire "vitesse des photons" (qui composent la lumière)
• n'est pas toujours la même si on veut dire "vitesse du rayon lumineux".