La lumière a une vitesse
Notre étoile, objet de tant d'attention et de culte, fait parti de notre paysage quotidien au point que l'on n'y prête plus attention. On peut alors se demander qu'elle peut être la connaissance d'un profane à ce sujet. Voici quelques questions qui ont l'air toutes simples en apparence. Qui ne s'est pas posé la question de la distance entre la Terre et le Soleil ? Quelle est la vitesse de la lumière ? Combien de temps la lumière met-elle pour nous parvenir du Soleil ?
Vous n'avez qu'a questionner votre entourage et vous verrez. Ce sont des questions classiques de culture générale, normalement vues à l'école primaire. Et pourtant, je continue d'être surpris par les réponses, dont certaines très fantaisistes.
Approximativement la distance séparant la Terre au Soleil et de 150 millions de km, une valeur facile à retenir lorsque l'on est à l'école. La vitesse de la lumière est d'environ 300 000 km/s. La question la plus difficile est la durée que la lumière met pour nous atteindre, soit la division (distance / temps) qui donne (150 000 000)/(300 000) =500 secondes soit 8 min et 30 secondes environ
Bien entendu ce sont des approximations pour faciliter la compréhension, et pour être plus précis, il faudrait donner deux valeurs pour la distance de la Terre au Soleil. En effet, la Terre tourne autour du Soleil sur une orbite elliptique et non circulaire. Ceci est valable pour chaque planète du système solaire. On appelle révolution ce trajet périodique d'un astre selon sa trajectoire autour d'un autre astre. On appelle aphélie le point de l'orbite le plus éloigné du Soleil, et périhélie le point le plus proche. On dira donc que la distance Terre varie au cours de sa révolution autour du Soleil. L'aphélie de la Terre est situé à 152 millions de km, le périhélie à 147 millions. La distance moyenne Terre-Soleil est de 150 millions de km.
Pour être plus précis, lorsque la Terre est au plus prés du soleil (Périhélie), la distance est de 147 100 000 km ; lorsque la Terre est au plus loin du soleil (Aphélie), la distance est de 152 100 000 km;
La vitesse de la lumière arrondie à 300 000 km/s est en réalité de 299 792 458 m/s.
Le temps mis par la lumière lors du passage au périhélie : 147 100 000 000 /299 792 458 = 490.672 s ce qui donne 8 minutes et 10.7 secondes
Le temps mis par la lumière lors du passage à l'aphélie : 152 100 000 000 / 299 792 458 = 507.350 s ce qui donne 8 minutes et 27.35 secondes
et si l'on prend la distance moyenne de 149 597 870.691 m cela donne : 149 597 870 691 /299 792 458 = 499.004 s ce qui donne 8 minutes et 19 secondes
Puissances de 10
Powers of Ten (puissances de dix en français) est un documentaire américain réalisé par le couple de designers Charles et Ray Eames en 1977. Ce film propose un voyage entre l'infiniment grand et l'infiniment petit en 9 minutes. Il permet de relativiser la notion de taille dans l'univers, et peut-être d'apprécier la place de l'homme.
Le principe du film Powers Of Ten (extrait de l'article sur wikipédia) : est que toutes les 10 secondes le champ de vision s'agrandit à la puissance de 10. À la seconde 0, dans le champ de la caméra couvre un carré de 1 m de côté à l'intérieur duquel le spectateur observe les objets présent dans le champ. La caméra est placée en plongée verticale sur un couple achevant un pique-nique sur une étendue de gazon. À partir du premier top, la caméra s'éloigne de son sujet, un carré matérialise la surface de champ initial. La vitesse d'éloignement de la caméra est telle que la longueur du côté du champ est multipliée par 10 tous les 10 secondes ; ainsi à la seconde 10, le champ couvre une surface de 10 m x 10 m (101); a ce top, un nouveau carré blanc matérialise le changement d'échelle par rapport au premier carré du top 0. Et ainsi de suite. On voit donc défiler une succession de carrés dont les surfaces mesurées en m2 correspondent à la succession des puissances de 10 (y compris le carré du top 0 de surface 1 m 2 puisque 100=1). C'est d'ailleurs pour cela que le format de l'image est un carré (1:1). Le format du film, lui, est 1:1,36 ; sur le côté gauche de l'image est noté la longueur du dernier carré blanc, à droite sa longueur en puissance de 10 (projeté sur un écran de 1 m de haut, on aurait une image de 1 m de large et deux bandes de 18 cm de chaque côté, soit une largeur totale de 1,36 m). Le film commence donc à la puissance 100, l'univers observable correspond à 1024 (100 millions d'années-lumière) et un proton à 10-16 (0.000001 angstrom).
Les 9 minutes du film sont commentés par une voix off masculine et accompagné par une musique d'orgue au synthétiseur. Si l'on parle de Powers of Ten comme d'un film, la majorité du film est constitué d'un enchaînement de fondus entre des images à différentes échelles.
Le film était une commande d'IBM. Powers of Ten été sélectionné en 1991 pour faire partie du National Film Registry, un ensemble de films conservé à la bibliothèque du Congrès des États-Unis
Un autre film remarquable, Cosmic Voyage réalisé en 1996, dont le narrateur est l'acteur Morgan Freeman. Le film a été présenté par l'Institution Smithsonian's National Air and Space Museum, et diffusé dans les salles de cinéma IMAX à travers le monde. Le film emmène les spectateurs dans un voyage à travers quarante-deux ordres de grandeur, en commençant par une célébration en Italie pour effectuer un zoom arrière sur les limites de l'univers observable. Le point de vue descend vers la terre, et des zooms plus tard dans une goutte de pluie sur une feuille, au niveau des particules subatomiques («quarks»). En outre, le film offre un aperçu succinct sur la théorie du Big Bang, les trous noirs, et le développement de notre système solaire. Il simule également un voyage à travers l'accélérateur Tevatron du Fermilab de particules à Chicago, où une collision entre atomes est représentée.
Voici un extrait de ce film avec un zoom arrière qui s'inspire du film Power of Ten
Voyage interstellaire plus vite que la lumièreSi prendre de la hauteur permet de voir le monde autrement, garder cette position de recul est un piège à éviter car tôt ou tard on sera amené à revenir sur Terre pour se confronter à la réalité physique. Prendre de la distance n'est qu'un instant transitoire qui permet de changer de perspective et aide à se remettre en question. Ceux qui ne le font pas et qui préfèrent rester dans les hauteurs ne pourront pas apprécier la complexité du vivant, se condamnant ainsi à avoir une vue limitée ou pire une vie bornée par de rigides perspectives. La posture idéale serait de voir comment les différents états de la matière s'intègrent à la fois dans l'infiniment petit et l'infiniment grand, avec l'idée que ce tout est relié dans un même continuum.
Imaginons que vous soyez à bord d'une sonde interstellaire capable d'aller plus vite que la lumière. A quel moment franchissons le premier mur de la lumière.
Avec cette version de puissance de 10, synchronisée avec la bande son du morceau "Microscopic" de l'album Gas0095, sans voix off, il est plus facile de se mettre dans l'ambiance du "trip spatial".L'exercice consiste à calculer l'évolution de la vitesse Warp pour illustrer ce voyage superluminique dans l'infiniment grand à partir des plans de progression du film Powers of Ten. [ ou en version HD ]
Le facteur Warp est utilisé pour indiquer la vitesse de déplacement superluminique de la série Star Trek. L'univers Star Trek néglige les effets relativistes. Le temps a le même taux pour les objets fixes et mobiles.
Dans l'univers de Star Trek, il existe deux équations de calcul de Warp, celle de la série The Next Generation (TNG) qui ne permet pas de voyager à plus de Warp 9, et celle de la série The Original Serie (TOS) qui donne une progression géométrique continue.
Pour la série originale Star Trek (The Original Serie), l'équation Warp est généralement acceptée comme étant :
V = C * W³dans laquelle,
C : la vitesse de la lumière
W : le facteur Warp
V : vitesse dans l'espace
Ce facteur, élevé au cube, indique le nombre de fois que la vitesse de la lumière est augmentée, par exemple
Warp 1 = 1³= (1x1x1) = 1 fois la vitesse de la lumière
Warp 2 = 2³= (2x2x2) = 8 fois la vitesse de la lumière
Warp 8 = 8³= (8x8x8) = 512 fois la vitesse de la lumièrePour chaque plan du film Powers of Ten nous avons alors la possibilité de donner la vitesse Warp (TOS) correspondante. Nous avons alors un exercice ludique qui permet d'illustrer cette progression dans l'infiniment grand et l'infiniment petit.
De la fiction à la science
Voyager plus vite que la lumière, comme dans les films de science-fiction, est une source intarissable d’inspiration pour des articles de physique théorique. Et l’on va jusqu'à imaginer des projets qui pourraient déboucher sur des applications concrètes comme on peut le voir sur le site de la NASA
L’idée de base est toujours la même, celle de parcourir des distances astronomiques sans violer les lois de la physique. Pour en arriver là, différents modèles de propulsion sont mis en compétition dans une ferveur toute théorique. L'imagination est fertile et plusieurs stratégies sont envisagées : on essaye d’agir sur le continuum espace-temps en le déformant avec un moteur à distorsion comme dans l'univers Star Trek (Warp Drive), on imagine la création de jonctions entre différents points de l’univers en passant par l’hyperespace, ou encore de prendre un raccourci en passant par un univers parallèle pour regagner ensuite notre univers, une progression par petit saut en quelque sorte. Toutes ces stratégies ont pour objectif de gagner de l'espace-temps par rapport à une trajectoire conventionnelle.
Il faudrait toutefois plusieurs conditions pour que ce voyage soit possible. Le vaisseau et son équipage devraient être en apesanteur ou en pesanteur artificielle et ne seraient pas écrasé par l'énorme force d'accélération et de décélération. L'équipage ne devrait pas vivre la "dilatation du temps", l'effet où le temps s'écoule à des taux différents pour les personnes voyageant à des vitesses différentes.
Il y a bien évidemment, un immense fossé entre la théorie et la pratique. L’univers de la science fiction ne suffit peut être pas pour transformer le rêve en réalité. On pourra toujours opposer que cela fonctionne théoriquement mais que les énergies à fournir pour obtenir la réalisation d'une telle propulsion sont hors de notre portée ou pire que les énergies à produire sont impossibles puisqu’elles tendraient vers l’infini. Les pessimistes évoquent une impossibilité conceptuelle et matérielle, jugeant ainsi que ce serait très au-delà des capacités technoscientifiques d'un futur lointain, et déraisonnable de s'aventurer dans un projet sans limites défiant l’imagination.
Et pourtant la science fiction n’est pas la seule à repousser l’impossible en construisant des mondes imaginaires aux technologies hors normes. Nous avons également les Phénomènes Aérospatiaux Non-identifiés (OVNI/PAN), dont les observations et témoignages peuvent inspirer l’imagination des chercheurs. Un OVNI qui apparait, laisse des traces radars, des empreintes au sol, et perturbe l’environnement a de toute évidence une consistance physique. Lorsque cela est possible, le doute créatif, le questionnement, la reconstitution, l'enquête sont autant de manières de bousculer les préjugés et les croyances sur l'état de la connaissance. Si une technologie qui semble impossible, ou qui n'est pas censé exister, apparait dans le champ de l'observation, et si on reste assez ouvert d'esprit pour s'interroger, de nouveaux choix apparaissent alors, de nouvelles opportunités, de nouvelles stratégies de recherche, qui amènent tout doucement à repousser sans cesse les limites du possible et de l'impossible.
Observer l'inexplicable, hausser les épaules sans rien penser et finalement passer son chemin sans rien faire serait bien dommage. Que feriez-vous si vous étiez devant un tel phénomène ? Voici une vidéo qui ressemble à un transfert "hyperspatial" d’un OVNI. A chacun de se faire son idée et d'imaginer sa propre réaction. On pourra toujours argumenter que la propulsion "plus vite que la lumière" est encore loin, que c'est un rêve insensé, peut-être, mais c'est devenu un peu moins improbable.
