Horloge photonique

But de la simulation

 

Voir le parcours de la lumière

La simulation de l’horloge photonique a pour but de démontrer de façon simple ce qu’est la relativité d’Einstein. Ce physicien énonça le principe fondamental suivant :

Les lois de la physique sont les mêmes dans tous les référentiels d’inertie.

Le prolongement de ce principe stipule que la vitesse de la lumière est indépendante du mouvement de la source lumineuse. Si cette source se déplace à une très grande vitesse, les photons qui en émanent se déplaceront néanmoins à la vitesse de la lumière.

Les particules de lumière appelées photons se déplacent à la vitesse immuable de 299 792 458 mètres par seconde. Cela donne la vitesse équivalente de 1 079 252 849 kilomètres par heure que l’on retrouve dans l’illustration suivante :

Ainsi, les photons provenant des phares de la voiture se déplacent vers la droite à la vitesse constante de ce 1 079 252 849 k/h et non pas au cumul de la vitesse de la voiture et de celle des photons. ( 1 )

Sur la base de ces informations, la simulation dont il est question dans la page sous-jacente tente de démontrer qu’une horloge se déplaçant à une vitesse proche de la lumière verra son temps ralenti, c’est-à-dire que le tic-tac de cette horloge spéciale se produira d’autant plus lentement que la vitesse de l’horloge et celle de lumière se confondent.

De quoi est constituée cette horloge ?

Tel qu’illustré dans la page sous-jacente, elle est constituée de deux miroirs se faisant face et la distance qui les sépare est déterminée par vous ou par des distances préétablies. Rebondissant entre ces deux miroirs est un photon qui se déplace toujours à la vitesse constante de la lumière.

Puisque la vitesse de la lumière est extraordinairement élevée et que la distance réelle entre ces miroirs dépasse à peine quelque 2 centimètres à l’écran, on ne pourrait voir le déplacement du photon tant il est rapide. Puisque cette simulation découle d’équations physiques réelles, il est nécessaire d’y injecter une grande distance, de l’ordre de plusieurs millions de mètres afin de voir le photon se déplacer.

Quelques exemples de distances préétablies et leurs effets :

  • 12 756 km (diamètre de la terre)
    Entraîne un déplacement très rapide du photon, difficile à suivre des yeux;
  • 35 800 km (altitude d’un satellite géostationnaire)
    La lecture du photon devient plus confortable même si l’aller-retour est effectué en moins d’une seconde entre les miroirs.
  • 96 101 km (1/4 de la terre à la lune)
    À cette distance, il devient beaucoup plus aisé de suivre le photon. Mais n’oublions pas que l’aller-retour représente déjà plus de 192 millions de mètres !
  • 200 000 000 km (distance de la terre à Mars)
    La distance entre la terre et la planète Mars varie énormément. Celle retenue pour la présente simulation correspond approximativement à la distance existant entre ces deux planètes lors de l’expédition américaine de Spirit et d’Opportunity de janvier 2004. Vous pourrez constater qu’acheminer un signal à ces engins requiert environ 11 minutes et ce, à la vitesse de la lumière! Lorsque cette distance est retenue pour l’une ou l’autre des horloges photoniques, le photon semble figé à l’écran. Mais rassurez-vous, il se déplace bien et rejoindra le miroir du haut au bout de ces quelques 11 minutes…

Constats importants

Si la vitesse assignée à une horloge (vitesse latérale) est tout près de celle de la lumière, nous verrons le photon tellement occupé à suivre les deux miroirs, qu’il ne pourra plus vraiment consacrer « de temps » à atteindre le miroir du haut; d’où son apparente immobilité verticale. N’oublions pas que le photon occupé à se déplacer latéralement à une vitesse proche de la lumière ne peut aussi, à la vitesse de la lumière, se diriger vers le haut. Autrement, la somme vectorielle des deux vitesses outrepasserait la vitesse constante de la lumière ainsi que les lois de la physique!

Si une montre-bracelet était attachée à l’horloge photonique se déplaçant à une vitesse rapprochée de celle de la lumière, les aiguilles de cette montre seraient assurément ralenties, en accord avec les lois de la relativité. Et si l’horloge photonique voyage à la vitesse exacte de la lumière, notre montre-bracelet serait tout simplement arrêtée. Il en est ainsi des photons qui se déplacent intrinsèquement à la vitesse de la lumière : depuis le big bang, il y a quelque 14 milliards d’années, ils n’ont pas vieilli d’une seconde!

Est-ce dire que la fontaine de jouvence éternelle a été trouvée ?

Malheureusement non. Si vous vivez 100 ans de façon stationnaire ou à une vitesse proche de la lumière, vous aurez subjectivement la sensation de vivre les mêmes 100 années; dans le second cas, vos fonctions métaboliques seront ralenties, tout comme les aiguilles de notre montre. Mais votre expérience subjective de vie et de sa durée seront fondamentalement les mêmes. Désolé.

Nous tenons à remercier Brian Greene qui a su si admirablement expliqué les fondements de la relativité dans son best-seller L’univers élégant (The Elegant Universe dans sa version originale) et qui porte sur la théorie des super-cordes.

Voir notre horloge photonique.


( 1 ) Cet exemple suppose que l’expérience se déroule dans le vide absolu où la vitesse de la lumière est bien de 299 792 458 m/s Dans l’eau, elle est de 225 563 000 m/s et dans le verre, elle est de 200 000 000 m/s…