Physicists demonstrate the constancy of the speed of light with unprecedented accuracy
Des physiciens démontrent la constance de la vitesse de la lumière avec une précision sans précédent
Université autonome de Barcelone
Édité par Gaby Clark, révisé par Robert Egan
Notes de l'éditeur
Crédit : Domaine public CC0
En 1887, l'une des expériences les plus importantes de l'histoire de la physique eut lieu. Les scientifiques américains Michelson et Morley ne parvinrent pas à mesurer la vitesse de la Terre en comparant la vitesse de la lumière dans le sens du mouvement terrestre à celle perpendiculaire à ce mouvement. Cette mesure nulle, sans doute la plus importante de l'histoire des sciences, amena Einstein à postuler la constance de la vitesse de la lumière et, par conséquent, à formuler sa théorie de la relativité restreinte.
Cette théorie implique que toutes les lois de la physique sont les mêmes, indépendamment du mouvement relatif entre les observateurs – un concept connu sous le nom d'invariance de Lorentz.
Parallèlement, la théorie quantique s'est développée, l'invariance de Lorentz étant au cœur de tous ses cadres théoriques, en particulier la théorie quantique des champs et le modèle standard de la physique des particules. Cette dernière est la théorie la plus rigoureusement testée jamais développée et a été vérifiée avec une précision incroyable.
Pourquoi les physiciens remettent-ils encore en question l'invariance de Lorentz ?
Alors, pourquoi douter de l'invariance de Lorentz après 115 ans de succès ininterrompu ?
La réponse commence une fois de plus avec Albert Einstein, cette fois avec sa théorie de la relativité générale, qui décrit la gravité comme une déformation de la géométrie. Une théorie qui s'est également révélée extrêmement performante, ayant été testée avec une grande précision dans de nombreuses circonstances, allant de la gravité faible à la gravité très forte.
Le problème réside dans l'incompatibilité fondamentale entre les fonctions d'onde de probabilité de la théorie quantique des champs et leur propagation à travers une géométrie courbe, ainsi que leurs modifications de la courbure de l'espace-temps. La plupart des tentatives de concilier les deux théories dans un cadre commun de gravité quantique ont abouti à la nécessité de briser l'invariance de Lorentz, même légèrement.
Ainsi, la quête de Michelson et Morley se poursuit aujourd'hui, grâce aux expériences de laboratoire modernes réalisées avec des technologies considérablement améliorées.
Test de l'invariance de Lorentz avec les rayons gamma
Plusieurs théories de la gravité quantique violant l'invariance de Lorentz prédisent une dépendance de la vitesse de la lumière à l'énergie des photons. Toute déviation par rapport à une vitesse de la lumière constante doit être extrêmement faible pour rester compatible avec les contraintes actuelles, mais elle peut devenir détectable aux très hautes énergies photoniques, connues sous le nom de rayons gamma de très haute énergie.
Une équipe de chercheurs dirigée par Mercè Guerrero, ancienne étudiante de l'UAB, et Anna Campoy-Ordaz, doctorante à l'IEEC de l'UAB, avec la participation de Robertus Potting de l'Université de l'Algarve et de Markus Gaug, maître de conférences au Département de physique de l'UAB et également rattaché à l'IEEC, a testé l'invariance de Lorentz avec une précision sans précédent grâce à l'astrophysique. L'étude est publiée dans la revue Physical Review D.
Ceci est possible car de minuscules différences dans la vitesse de groupe des photons peuvent s'accumuler et engendrer des retards mesurables dans leur arrivée sur Terre si les photons étaient émis simultanément par une source située à très grande distance.
L'équipe a combiné un ensemble de limites existantes issues de mesures astrophysiques de rayons gamma de très haute énergie à l'aide d'une nouvelle méthode statistique afin de tester une série de paramètres violant l'invariance de Lorentz, actuellement privilégiés par les théoriciens, de l'extension du modèle standard (SME).
Que révèlent les derniers résultats ?
Les chercheurs espéraient prouver qu'Einstein avait tort, mais, comme tant d'autres avant eux, ils n'y sont pas parvenus. Néanmoins, les nouvelles limites améliorent les précédentes d'un ordre de grandeur.
Dans l'intervalle, la recherche visant à tester expérimentalement les prédictions des théories de la gravité quantique se poursuit, avec l'arrivée imminente d'instruments de nouvelle génération – tels que l'observatoire Cherenkov Telescope Array – conçus pour améliorer considérablement la détection des rayons gamma de très haute énergie provenant de sources lointaines.
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RESUME
Des physiciens démontrent la constance de la vitesse de la lumière avec une précision sans précédent.
Des expériences récentes, basées sur des observations astrophysiques de rayons gamma de très haute énergie, ont permis de tester la constance de la vitesse de la lumière avec une précision inédite. Aucune déviation par rapport à l'invariance de Lorentz n'a été détectée, et de nouvelles contraintes sur les violations possibles améliorent les limites précédentes d'un ordre de grandeur, confirmant ainsi l'invariance de la vitesse de la lumière pour différentes énergies photoniques.
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COMMENTAIRES
Mes élèves sont fous de l 'histoire des sciences ! Leur premoiere question est donc :Comment a été mesurée la vitesse de la lumière ?C 'est déjà
trés vieux historiquement,
Qui a le premier tenté de déterminer la vitesse de la lumière ?Eh bien c 'est encore Galilée!
En fait c'est lui au 17ème siècle qui le premier va tenter de mesurer la vitesse de propagation de la lumière. Ensuitre
des scientifiques ont mesuré le temps de parcours de la lumière en fonction d'une distance connue dans le Système solaire, tel le diamètre de l'orbite terrestre. Ole Christensen Rømer effectue en 1676 une mesure astronomique qui lui permet de prédire que la vitesse de la lumière n'est pas infiniment grande ....Plus tard
Léon Foucault effectue une première expérience du calcul de la vitesse de la lumière en 1850. Il prouve alors que la lumière se déplace plus vite dans l'air que dans l'eau. Il ne va préciser ses résultats qu'en 1862 avec une nouvelle expérience dotée d'instruments de mesure plus précis.
2/Mais surtout le principr de la a relativité restreinte faitde la vitesse de la lumière (dans le vide) une grandeur invariante, qui reste inchangée quelle que soit la position de l'observateur.
En conséquence la verification de la constance de la vitesse des photons quelle que soit leur énergie est encore une preuve de plus !
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More information: Merce Guerrero et al, Bounding anisotropic Lorentz invariance violation from measurements of the effective energy scale of quantum gravity, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/k3xg-wkrc
Journal information: Physical Review D
Provided by Autonomous University of Barcelona
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