Vitesse limite

Une vitesse limite, dénotée c (pour célérité), s'applique à tout corps, en tout point de l'univers et quelle que soit la vitesse relative de l'observateur. Cette vitesse ultime, identifiée par la relativité restreinte, est impossible à atteindre par tout objet ayant une masse ; les particules de masse nulle peuvent seules se déplacer exactement à cette vitesse limite. Ainsi la lumière et les ondes radio, portées par les photons, se déplacent dans le vide précisément à cette limite, soit exactement 299 792 458 m/s.

Description

Articles détaillés : Relativité restreinte et Vitesse de la lumière.

La relativité restreinte a démontré que ni un objet ni une information physique ne peuvent se déplacer à une vitesse supérieure à c. De plus, seules les particules de masse nulle peuvent se déplacer à une vitesse égale à c (c'est le cas du photon par exemple), raison pour laquelle la vitesse limite coïncide avec la vitesse de la lumière (au point de générer parfois des confusions quant à leurs rôles respectifs). Par conséquent, selon la relativité restreinte, l'échange instantané d'information est impossible, toute information voyageant à une vitesse finie.

La vitesse limite, qui est celle de la lumière dans le vide, est égale à $\scriptstyle c \; = \;299\; 792\; 458$ m/s. Pour des raisons de simplicité l'approximation $\scriptstyle c \;\approx \;300\; 000$ km/s est souvent utilisée.

Des objets définis uniquement par la pensée (tels le front d'une onde ou une ombre portée sur un objet distant) peuvent avoir une vitesse supérieure à c, mais cela ne contredit pas la relativité restreinte qui n'interdit les vitesses supraluminiques qu'aux porteurs d'information ou d'énergie.

Paradoxe

Albert Einstein se demandait ce qu'il verrait, s'il rattrapait un rayon de lumière, c'est-à-dire ce qu'il verrait, s'il se déplaçait à 300 000 km/s. Il verrait encore un rayon lumineux se déplacer à la même vitesse par rapport à lui ! Et c'est sa propre théorie, la relativité restreinte, qu'il bâtira quelques années plus tard qui rend l'hypothèse de voir un rayon de lumière au repos impossible.

En effet, la vitesse de la lumière est une constante absolue quel que soit le référentiel d'étude. Dans le vide, elle n'est jamais ni plus grande ni plus petite que c. Ainsi un rayon lumineux émis par une lampe à l'intérieur d'une voiture roulant à 90 km/h, se déplace encore à la vitesse c dans cette voiture. Et si Einstein rattrape le rayon lumineux, il le verrait encore se déplacer à la vitesse c.

La raison de ce paradoxe est que la loi de composition des vitesses galiléenne n'est plus applicable dès que les vitesses en jeu sont de l'ordre de grandeur de celle de la lumière. Dans le cas relativiste, les vitesses ne s'additionnent plus.

Interprétation vulgarisée

Une façon imagée d'expliquer cette vitesse limite est de revisiter le concept de masse inerte. C'est la masse d'un corps qui s'oppose à sa mise en mouvement, et plus le corps est massif plus sa mise en mouvement et son accélération sont difficiles. En relativité, il est possible d'envisager le fait que cette masse (qui n'a plus alors totalement le même sens qu'en mécanique classique) augmente avec la vitesse du corps. Ainsi, plus le corps va vite, moins il est facile de l'accélérer, jusqu'à ce qu'il atteigne la vitesse limite c et une “masse” infinie.

Cas des tachyons

Bien que l'existence des tachyons, particules qui se déplaceraient à une vitesse supérieure à c, recueille les suffrages de peu de physiciens, ils sont aussi concernés par cette vitesse limite : en effet, à l'inverse des particules classiques, leur vitesse est toujours strictement supérieure à c.

Pour la question de la masse, la masse au repos d'un tachyon (même si c'est une vue de l'esprit) est un nombre imaginaire pur, d'où l'énergie finie du tachyon malgré sa vitesse supraluminique.

Cas des Neutrinos

Réalisée au CERN, l'expérience OPERA consiste à envoyer des neutrinos [1] à une distance de 730 km. La lumière met 2,4 millisecondes à parcourir cette distance mais les neutrinos arrivent 60 nanosecondes plus tôt [2] [3],à 299.800 kilomètres/seconde, soit 7 à 8 km/s plus vite que la lumière et avec 20 mètres d'avance [4]. Cette expérience a été réalisée pendant trois ans avec le même résultat considéré comme fiable[5] car répétée 15000 fois [6]. Ce serait, pour la communauté scientifique, «une véritable bombe pour la physique», [7] et si «les théories restent valables dans leur domaine (pour l'instant) on doit aller au delà» [8].

Les résultats de l'expérience ont été retransmis en direct depuis un séminaire du CERN le vendredi 23 septembre à 16h. Le rapport complet de la conférence est disponible ici.

Notes : objet dans un fluide visqueux

On parle aussi de vitesse limite comme la vitesse maximale qu'un objet par exemple un corps chutant dans un fluide visqueux tel que l'air, l'eau ou une huile, peut atteindre. C'est la vitesse pour laquelle les forces entraînantes (dans la cas envisagé, essentiellement le poids) est compensé par les forces de frottement visqueux, et qu'en conséquence, l'accélération résultante est nulle.

Voir aussi

• Relativité restreinte
• Vitesse de la lumière
• Vitesse supraluminique