Dans le vide, la lumière se déplace toujours à une vitesse constante de 299 792 458 mètres par seconde. Rien ne peut voyager plus vite que cette constante c,comme le dénotent les physiciens. Ces deux postulats sont des éléments de base de la physique moderne et ont été annoncés pour la première fois il y a plus de cent ans par Albert Einstein.
Oui, oui rien ne peut voyager plus vite que la lumière, mais…
Lorsque la lumière se propage dans un milieu autre que le vide, elle sera ralentie. Par exemple, lorsque la lumière se propage dans l’eau ou l’air, elle le fera à une vitesse plus lente. Cela est dû au fait que la lumière se disperse sur les molécules qui composent les différents matériaux. Les photons eux-mêmes ne ralentissent pas. Mais leur passage dans un milieu implique l’absorption par des électrons et la réémission. Pour certains matériaux comme l’eau, la lumière ralentit davantage que les électrons. Ainsi, un électron dans l’eau peut voyager plus vite que la lumière dans l’eau. Mais rien ne voyage jamais plus vite que c.
Dans certains cas, la lumière paresseuse peut produire des phénomènes physiques très intéressants. Vous avez probablement entendu parler du bang sonique. Un avion subsonique « normal » dévie l’air en douceur autour de ses ailes. Un avion supersonique – celui qui se déplace plus vite que le son (plus de 340 m/s) – se déplace en fait beaucoup plus vite que l’air qu’il disloque. Il en résulte un changement de pression soudain ou une onde de choc qui se propage loin de l’avion dans un cône à la vitesse du son.
Dr. Manhattan
La vitesse de phase de la lumière dans un milieu à indice de réfraction n est v
lumière = c/n. L’eau a un indice de réfraction d’environ 1,3, donc la vitesse de la lumière dans l’eau est considérablement inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Il n’y a pas qu’un électron qui peut se déplacer plus vite que la lumière dans un milieu différent – d’autres particules aussi. Si une particule chargée se déplace plus vite que la lumière dans un milieu, un faible rayonnement est produit. Dans l’eau, par exemple, la particule chargée excite les molécules d’eau, qui reviennent ensuite à leur état normal en émettant des photons de lumière bleue. La lumière se propage dans un cône en avant de la région où l’interaction a eu lieu, par analogie avec le bang sonique.
Cet effet, connu sous le nom de rayonnement Cherenkov, a été observé sous la forme d’une faible lueur bleue par Pavel Cherenkov en 1934 lorsqu’on lui a demandé d’examiner les effets de la radioactivité dans les liquides. Les personnes travaillant dans des réacteurs nucléaires voient souvent cette lueur bleue caractéristique. Dans la culture populaire, le puissant docteur Manhattan du roman graphique classique « Watchmen » de lan Moore est toujours entouré d’une lueur bleue.
Cette discussion soulève la question suivante : jusqu’à quel point pouvons-nous ralentir la lumière ?
Dead stop
Bien que nous ne puissions jamais réellement accélérer ou réduire la vitesse de la lumière, qui est toujours une constante, les scientifiques ont réussi à manipuler le temps qu’il faut à la lumière pour voyager à travers divers milieux. À température ambiante, les atomes sont incroyablement rapides et se comportent comme des boules de billard, rebondissant les uns sur les autres lorsqu’ils interagissent. Au fur et à mesure que vous abaissez la température (rappelez-vous que la température reflète l’agitation atomique), les atomes et les molécules se déplacent plus lentement. Finalement, une fois que l’on atteint environ 0,000001 degré au-dessus du zéro absolu, les atomes deviennent si denses qu’ils se comportent comme un super atome, agissant à l’unisson. C’est le domaine de la mécanique quantique, alors préparez-vous à beaucoup de bizarreries.
Il s’agit en fait d’un état distinct de la matière connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein, qui ne ressemble pas aux états observables quotidiens tels que liquide, gaz, solide ou plasma. Le BEC, pour faire court, a été prédit pour la première fois dans les années 1920 par Albert Einstein et le physicien indien Satyendra Bose et ce n’est que très tard, en 1995, que les scientifiques ont pu produire les conditions nécessaires à l’apparition de cet état extrême de la matière.
En 1999, Lene Vestergaard Hau, professeur à l’Université de Harvard, a dirigé un faisceau laser à travers un tel nuage d’atomes de sodium presque immobiles d’une longueur de seulement 1/125 de pouce. Tout d’abord, un premier faisceau, appelé faisceau de couplage, est projeté sur le nuage pour le rendre transparent. Il le fait avec un taux extrêmement rapide du changement de l’indice de réfraction.
Un second faisceau laser, l’impulsion de la sonde, tire à travers ce nuage de gaz désormais transparent qui possède un indice de réfraction cent mille milliards de fois supérieur à celui du verre de la fibre optique. C’est dans ces conditions que la lumière a rampé à la vitesse vertigineuse de 38 miles par heure. Les chevaux sont plus rapides.
La lumière flottante
Ne se reposant pas sur ses lauriers, le professeur Hau a poussé l’enveloppe jusqu’au point ultime : arrêter la lumière dans sa course. Pour arrêter complètement la lumière, les scientifiques ont utilisé un effet similaire mais beaucoup plus puissant. Les chercheurs ont refroidi un gaz d’atomes de sodium piégés magnétiquement à quelques millionièmes de degré du zéro absolu (-273°C). Le dispositif expérimental ressemblait beaucoup à celui de la première tentative, mais cette fois, si l’équipe éteignait le laser de couplage alors que le laser de la sonde brillait toujours sur le nuage, l’impulsion de la sonde s’arrêtait net. Si le faisceau de couplage est alors rallumé, l’impulsion de la sonde ressort intacte, comme si elle avait attendu de reprendre son voyage. Étonnant ! Ces résultats ont été reproduits la même année (2001) par le Dr Ronald Walsworth, du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, à Cambridge.
Depuis, divers jalons ont été posés. En 2013, une équipe de l’université allemande de Darmstadt a mis la lumière à l’arrêt à l’intérieur d’une structure cristalline et l’a maintenue ainsi pendant une minute entière. Ils ont également utilisé le piège pour stocker puis récupérer une image composée de trois bandes. « Nous avons montré que vous pouvez imprimer des informations complexes sur votre faisceau lumineux », a déclaré le chercheur principal George Heinze. En 2015, des chercheurs de l’université de Glasgow ont trouvé un moyen de ralentir la vitesse de la lumière sans la faire passer par un milieu. Ils ont essentiellement modifié sa vitesse indirectement en faisant passer la lumière à travers un masque spécial – un filtre qui a façonné le faisceau en un faisceau gaussien ou de Bessel.
Après avoir traversé un milieu, disons du verre, de l’eau ou n’importe quel type de matériau à partir duquel vous pouvez fabriquer un filtre, la lumière est censée accélérer à nouveau à sa constante normale. L’expérience a montré que la lumière peut être amenée à voyager plus lentement que c, en changeant sa forme. La vitesse était de 0,001 % inférieure à celle qu’elle aurait dû atteindre. Pas aussi impressionnant que de freiner la lumière, mais tout de même fascinant. Peut-être que la lumière est plus malléable que ce que les physiciens pensaient auparavant.
Il existe, bien sûr, des applications pratiques à ces « gadgets ». Il s’agit notamment de l’informatique quantique et des applications de communication quantique. Pourtant, faire ce genre de science révolutionnaire juste pour le plaisir de le faire me semble tout aussi génial.