Sciences · Physique
La vitesse de la lumière
La vitesse de la lumière dans le vide vaut exactement 299 792 458 mètres par seconde, soit environ 300 000 km/s ou 1,08 milliard de km/h. C’est la vitesse maximale dans l’Univers.
Mis à jour le 5 min de lecture
Notée c (du latin celeritas, « rapidité »), la vitesse de la lumière dans le vide est une constante fondamentale de la physique. Elle est la même pour tous les observateurs, quelle que soit leur vitesse, et aucun objet ni aucune information ne peut aller plus vite. Depuis 1983, sa valeur n’est plus mesurée mais fixée par définition, et c’est elle qui sert à définir le mètre.
Combien de temps met la lumière ?
| Trajet | Distance | Temps de trajet de la lumière |
|---|---|---|
| Un mètre | 1 m | 3,34 nanosecondes |
| Tour de la Terre (équateur) | 40 075 km | 0,134 s (7,5 tours par seconde) |
| Terre – Lune | 384 400 km (moyenne) | ≈ 1,28 s |
| Soleil – Terre | 149,6 millions de km (1 unité astronomique) | ≈ 8 min 19 s |
| Soleil – Neptune | ≈ 4,5 milliards de km | ≈ 4 h 10 min |
| Proxima du Centaure (étoile la plus proche) | 4,24 années-lumière | 4,24 ans |
| Diamètre de la Voie lactée | ≈ 100 000 années-lumière | ≈ 100 000 ans |
Conséquence : regarder loin, c’est regarder dans le passé. Nous voyons le Soleil tel qu’il était il y a un peu plus de 8 minutes, et la galaxie d’Andromède telle qu’elle était il y a environ 2,5 millions d’années.
Comment a-t-on mesuré la vitesse de la lumière ?
| Année | Savant | Méthode | Résultat |
|---|---|---|---|
| 1638 | Galilée | Lanternes entre deux collines | Trop rapide pour être mesurée |
| 1676 | Ole Rømer | Retards des éclipses d’Io, satellite de Jupiter | Vitesse finie ; ≈ 220 000 km/s (calcul de Huygens) |
| 1728 | James Bradley | Aberration de la lumière des étoiles | ≈ 301 000 km/s |
| 1849 | Hippolyte Fizeau | Roue dentée, aller-retour Suresnes – Montmartre | ≈ 315 000 km/s |
| 1862 | Léon Foucault | Miroir tournant | ≈ 298 000 km/s |
| 1926 | Albert Michelson | Miroir tournant, mont Wilson – mont San Antonio | 299 796 km/s |
| 1972 | Laser (NBS, États-Unis) | Fréquence et longueur d’onde d’un laser | 299 792,456 2 km/s |
| 1983 | Conférence générale des poids et mesures | Valeur fixée par définition | 299 792,458 km/s |
L’idée de Rømer
À l’Observatoire de Paris, Ole Rømer remarque que les éclipses de Io surviennent en avance quand la Terre se rapproche de Jupiter et en retard quand elle s’en éloigne. La différence s’explique par le temps que met la lumière à traverser l’orbite terrestre. C’est la première preuve que la lumière n’est pas instantanée.
La roue de Fizeau
Fizeau envoie un faisceau à travers les créneaux d’une roue dentée vers un miroir situé à environ 8,6 km. À une certaine vitesse de rotation, la lumière qui revient tombe sur une dent et ne passe plus. Connaissant la vitesse de la roue et la distance, il en déduit c. C’est la première mesure terrestre.
Pourquoi la valeur est-elle exacte ?
En 1983, la 17e Conférence générale des poids et mesures a redéfini le mètre comme « la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde ». Puisque la seconde est définie par une horloge atomique, la vitesse de la lumière devient une constante exacte et le mètre une grandeur qui en découle. Voir les unités du Système international.
Pourquoi rien ne va plus vite que la lumière
La relativité restreinte d’Einstein (1905) repose sur un postulat : la vitesse de la lumière dans le vide est la même pour tous les observateurs en mouvement uniforme. Il en découle :
- l’énergie nécessaire pour accélérer un objet massif tend vers l’infini quand sa vitesse approche c : aucun objet ayant une masse ne peut l’atteindre ;
- seules les particules de masse nulle (photons, gluons) voyagent exactement à c ;
- c est en réalité la vitesse maximale de transmission de toute cause ou information, dans l’espace-temps.
Le facteur de Lorentz γ = 1 / √(1 − v²/c²) mesure les effets relativistes (dilatation du temps, contraction des longueurs). À 90 % de c, γ ≈ 2,3 ; à 99 %, γ ≈ 7,1.
Les cas qui semblent plus rapides
- Expansion de l’Univers : des galaxies lointaines s’éloignent de nous plus vite que c, car c’est l’espace lui-même qui s’étire ; aucune information ne voyage plus vite que la lumière localement.
- Intrication quantique : les corrélations entre particules intriquées sont instantanées, mais ne permettent pas de transmettre un message.
- Effet Tcherenkov : dans l’eau, une particule peut aller plus vite que la lumière dans l’eau (environ 225 000 km/s), jamais plus vite que c. Elle émet alors une lumière bleue visible dans les piscines de réacteurs nucléaires.
Dans la matière, la lumière ralentit
Dans un milieu transparent, la lumière va moins vite qu’en vide : v = c / n, où n est l’indice de réfraction (1,33 pour l’eau, environ 1,5 pour le verre, 2,42 pour le diamant). Dans une fibre optique, elle avance donc à environ 200 000 km/s, ce qui fixe une limite au temps de transmission sur Internet (environ 5 µs par kilomètre). Voir les propriétés de la lumière.
E = mc² : le rôle de c
La constante c apparaît dans la relation d’équivalence masse-énergie, E = m × c². Comme c² vaut environ 9 × 10¹⁶ m²/s², une masse minuscule correspond à une énergie énorme : c’est le principe de l’énergie nucléaire (voir l'énergie).
Questions fréquentes
Quelle est la vitesse de la lumière en km/h ?
Environ 1,08 milliard de km/h : exactement 1 079 252 848,8 km/h dans le vide.
Combien de temps met la lumière du Soleil pour arriver sur Terre ?
En moyenne 8 minutes et 19 secondes, pour une distance de 149,6 millions de kilomètres. Le temps varie de quelques secondes au cours de l’année car l’orbite terrestre est légèrement elliptique.
La vitesse de la lumière est-elle toujours la même ?
Dans le vide, oui : c’est une constante universelle, indépendante de la source et de l’observateur. Dans un milieu matériel (eau, verre, air), la lumière va plus lentement.
Peut-on voyager à la vitesse de la lumière ?
Non pour un objet qui a une masse : il faudrait une énergie infinie. L’objet le plus rapide jamais lancé, la sonde Parker Solar Probe, dépasse à peine 190 km/s au plus près du Soleil, soit moins de 0,1 % de c.