Vitès limyè

Vitès limyè a nan vakyòm, anjeneral ki endike c, se yon konstan fizik nan Linivè ki se fondamantal nan plizyè domèn fizik.

Etid la nan limyè ak vitès li yo dat tounen nan Antikite. Gen kèk filozòf ak syantis, ki baze sou agiman teyorik oswa obsèvasyon, ki fè konnen vitès li se enfini, pandan ke lòt moun di ke li pa. Ole Rømer te demontre an 1676 ke li te fini. Lè sa a, syantis yo travay pou detèmine valè li pa plizyè mwayen, ak presizyon amelyore pandan ane yo. Depi nan fen 19^e syèk la, yo te konnen ke li te vo apeprè 300,000 km/s; an 1975, rezilta serye ki pi egzak la se 299 792 458 ± 1 m/s. An 1983, yon akò entènasyonal te redefini mèt la konsa ke vitès limyè a se egzakteman 299 792 458 m/s.

Nan lavi chak jou, limyè (ak Se poutèt sa vag elektwomayetik) sanble deplase enstantane, men sou distans ki long oswa nan enstriman mezi trè presi, efè pèmèt nou dedwi ke vitès li se fini. Nan materyèl transparan ak kondiktè elektrik, onn elektwomayetik vwayaje pi dousman pase c. Vitès sèten fenomèn vag ak sèten objè selès yo ka pi gran pase c. Vitès ekspansyon Linivè a depase c deyò sèten limit jewometrik.

Malgre ke vitès sa a pi souvan asosye ak limyè, li se tou nenpòt patikil san mas ak nenpòt twoub nan yon jaden ki sitiye nan yon vakyòm, ki gen ladan onn gravitasyonèl ak onn elektwomayetik (ki limyè vizib konstitye sèlman yon ti pati). Patikil ki gen mas rès ka apwoche c, men yo pa ka rive jwenn li, kèlkeswa ankadreman inèrsyèl kote yo mezire vitès yo.

Nan XXI^e syèk, vitès limyè a nan yon vakyòm endike ak lèt ​​miniskil c, inisyal mo Latin (la) celeritas (ki vle di "vitès, selerite") oswa menm "selerite" an franse, men senbòl li a te varye sou tan. An 1856, Wilhelm Eduard Weber ak Rudolf Kohlrausch te itilize c pou yon konstan diferan ki te montre pita egal a Modèl:Rasin × c. An 1865, James Clerk Maxwell te prezante senbòl V kòm yon altènativ pou endike vitès limyè a nan yon vakyòm. An 1894, Paul Drude te prefere c, pandan l te ba li definisyon modèn li yo. Sepandan, Albert Einstein sèvi ak V nan atik sou relativite espesyal nan ane 1905; Se nan 1907 ke li te kòmanse sèvi ak c, ki te vin tounen senbòl komen pou vitès limyè a nan yon vakyòm^[1],[2],[3].

Pafwa yo itilize c pou endike vitès yon vag limyè nan nenpòt mwayen fizik ak c₀ pou vitès limyè a nan vid la^[4]. Notasyon endis sa a, ki prezan nan literati SI^[5], gen menm fòm ak plizyè konstan elektwomagnetism: ' 'μ₀ pou pèmeyabilite vakyòm (oswa konstan mayetik), ε₀ pou vakyòm lan pèmitivite (oswa konstan elektrik) ak Z₀ pou enpedans karakteristik vakyòm. Nan rès atik sa a, sèlman c yo itilize pou endike vitès limyè a nan yon vakyòm.

Nan fizik klasik, limyè yo konsidere kòm yon ond elektwomayetik. Nan kontèks sa a, konpòtman champ elektwomayetik dekri pa ekwasyon Maxwell ki predi ke c, vitès onn elektwomayetik (ki gen ladan limyè vizib) pwopaje nan vakyòm lan. , se yon fonksyon nan kapasite nan vakyòm ak enduktans nan vakyòm. De karakteristik sa yo, yo rele respektivman permeyabilite vakyòm (${\displaystyle \varepsilon _{0}}$) ak pèmeyabilite vakyòm (${\displaystyle \mu _{0}}$), yo lye ak vitès la nan limyè nan vakyòm (c) pa ekwasyon an^[6]:

${\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}\ .}$

Nan mekanik pwopòsyon, yon apwòch ki pi modèn, jaden elektwomayetik la dekri pa elektrodinamik pwopòsyon (QED). Limyè yo dekri la kòm yon eksitasyon fondamantal (oswa quanta) nan jaden elektwomayetik la; Lè sa a, li konpoze de foton, ki se tou patikil san mas^[7],[8].

Yo te etidye ekstansyon QED kote foton an gen mas. Nan kad teyorik sa yo, vitès foton an ta depann de frekans li yo epi invarian c relativite espesyal ta dwe limit ultim vitès limyè a nan yon vakyòm^[9]. Sepandan, pa gen okenn varyasyon nan vitès limyè a kòm yon fonksyon frekans yo te obsève nan kondisyon laboratwa solid^{[10],[11],[12]}, ki te enpoze limit strik sou mas foton nan. Limit kalkile a depann de modèl yo itilize a: si foton masiv la dekri dapre apwòch Proca pou egzanp^[13], Lè sa a, limit siperyè eksperimantal pou mas li a se 10⁻⁵⁷ gram^[14].

Yon lòt rezon ki ta milite an favè vitès limyè a kòm yon fonksyon frekans li ta se enposib pou aplike relativite espesyal nan echèl abitrè ki piti anpil, jan kèk teyori ki baze sou [[gravite pwopòsyon an] te predi. An 2009, obsèvasyon gamma pete nan sistèm zetwal GRB 090510 pa t demontre ke vitès foton an depann de enèji li, ki enpoze limit strik sou espas tan an. modèl quantifikasyon ki konte sou lide ke vitès sa a enfliyanse pa enèji foton an lè enèji yo pre echèl Planck la^[15].

Omwen uit vitès diferan ka itilize pou karakterize pwopagasyon limyè, sètadi: (1) vitès faz, (2) vitès gwoup, (3) vitès enèji, (4) vitès siyal, (5) konstan vitès relativis, (6) vitès rapò inite a, (7) centrovecity a ak (8) vitès korelasyon an^[16] </ref>^,[17]. Nan yon vakyòm, tout vitès sa yo egal a c, alòske nan yon lòt mwayen, se sèlman vitès wavefront ki kenbe valè sa a. Anplis de sa, pou diferan frekans, vitès yo diferan. Nan yon vag plan, chak krèt ak depresyon pwopaje nan v_p, vitès faz la. Yon siyal fizik ki gen yon ranje fini (yon batman limyè) vwayaje nan yon vitès diferan. Pifò nan yon enpilsyon vwayaje nan v_g, vesse de groupe (en), pandan lòt pati a vwayaje nan v_f, vitès tèt la.

Vitès faz enpòtan nan detèmine kijan yon vag limyè pwopaje nan yon materyèl oswa soti nan yon materyèl nan yon lòt. Regilyèman, enfòmasyon sa a dekri pa endèks refractive ki defini pa rapò c ak vitès faz v_p materyèl la ( pi gwo endèks la, pi ba vitès vag la). Endèks refraktif la depann de plizyè faktè, tankou frekans limyè a, entansite li, polarizasyon, ak direksyon pwopagasyon li. Sepandan, nan plizyè ka, yo trete li kòm yon kantite envaryab^[18].

Endèks refraktif lè a se apeprè 1.0003^[18]. Medya ki pi dans, tankou dlo^[19], glass^[20] ak diamant^[21], gen endis refraktif apeprè 1.3, 1.5 ak 2.4 pou limyè vizib. Nan materyèl ekzotik, tankou Bose-Einstein kondansasyon kenbe nan yon tanperati ki trè pre zewo absoli, limyè ka vwayaje nan kèk mèt pa segonn. Nan ka sa yo, tan atòm yo pran pou absòbe ak emèt limyè a siyifikativman pi long pase si pwosesis absòpsyon-emisyon an te fèt nan 0 °C pa egzanp. De ekip fizisyen te deklare ke yo te konplètman sispann limyè lè yo te pase l nan yon kondansasyon Bose-Einstein nan rubidium. Se enèji nan limyè ki estoke nan laatòm (ki konsa vin eksite), Lè sa a, pita emèt nan fòm limyè si atòm yo eklere pa yon reyon lazè. Konpòtman an reta absòpsyon-emisyon an jeneralman vre nan nivo mikwoskopik pou tout mwayen transparan ki "ralanti" limyè^[22].

Nan materyèl transparan, endèks refraktif la anjeneral pi gran pase 1, ki vle di vitès faz la pi piti pase c. Nan kèk materyèl, endèks refraktif la ka pi ba pase 1 nan sèten frekans limyè; nan kèk materyèl ekzotik, endèks la ka negatif^[23]. Egzijans pou kazalite pa vyole implique ke pati reyèl ak imajinè nan permittivite nan yon materyèl, ki koresponn respektivman ak endèks refraktif la ak [[koyefisyan disparisyon an] ]], yo konekte pa a. Relasyon Kramers-Kronig^[24]. Nan pratik, nan yon materyèl ki gen yon endèks refraktif mwens pase 1, absòpsyon nan vag limyè a tèlman vit ke pa gen okenn siyal ka transmèt pi vit pase c.

Yon batman limyè ki gen diferan gwoup (v_g) ak vitès faz (v_p) (ki rive lè vitès faz la. chanje ak frekans vag batman kè a) gaye sou tan, yon pwosesis ki rele dispèsyon. Gen kèk materyèl ki montre yon vitès gwoup trè ba (oswa menm zewo) pou vag limyè, yon fenomèn yo rele limyè dousman^{[25],[26],[27],[28]}. Opoze a, vitès gwoup ki pi gran pase c, yo te demontre tou pa eksperyans^[29]. Nan teyori, vitès gwoup la ta ka enfini oswa negatif, ak batman yo vwayaje enstantane oswa bak nan tan^[30]. Sepandan, tout posiblite sa yo pa pèmèt enfòmasyon yo transmèt ak yon vitès ki pi gran pase c. An reyalite, li enposib transmèt enfòmasyon ak yon batman kè limyè pi vit pase vitès la nan premye pati nan yon vag, devan vitès la. Anba sèten kondisyon, li toujougal nan c^[30].

Yon patikil ka vwayaje pi vit pase vitès faz limyè a nan yon mwayen (vitès sa a toujou pi ba pase c). Lè yon patikil chaje pwopaje nan fason sa a nan yon materyèl dielektrik, ekivalan elektwomayetik yon ond chòk pwodui, sa a se efè Cherenkov^[31].

Nan yon mwayen birefringant, vitès limyè a depann de plan li nan polarizasyon, yon fenomèn ki itilize nan plizyè domèn, kit mikwoskopi oswa fabrikasyon linèt solèy^[32].

c ka mezire nan plizyè fason. Pou egzanp, lè w obsève ki jan vag limyè pwopaje lè l sèvi avèk enstriman astwonomik. Li ka mezire baze sou konstan li te ye, tankou permeyabilite vakyòm (${\displaystyle \epsilon _{0}}$) ak pèmeyabilite vakyòm (${\displaystyle \mu _{0}}$). Nou ka kalkile valè sa a tou lè nou konnen longèdonn ak frekans yon vag limyè, paske pwodwi yo egal c.

Depi 1983, Sistèm Entènasyonal Inite yo (SI) te fikse vitès limyè a egzakteman 299 792 458 m/s^{[33],[34] ,[35]}. Kòm yon konstan ak inite mezi, valè nimerik c diferan selon sistèm inite yo^{[note 1]}.

Kesyon konstans vitès limyè a nan yon vakyòm pa ka rezoud paske li teyorikman posib ke foton yo yo gen yon mas ki pa zewo: mezi yo ka sèlman limite mas ipotetik sa a epi yo pa pwouve ke li se. estrikteman zewo. Sepandan, menm si li te pwouve ke foton yo gen mas, sa pa ta mete an kesyon prensip konstan c, men pito ta bay yon limit nan presizyon nan obsèvabilite li nan modèl referans^[36].

Mwayen entèstelè se yon kote ki enpòtan pou mezire vitès limyè a akòz gwosè li ak absans prèske total obstak sou gwo distans. Istorikman, syantis yo te mezire tan vwayaj limyè a baze sou yon distans li te ye nan Sistèm Solè a, tankou dyamèt òbit Latè.

Ole Christensen Rømer te fè yon mezi astwonomik an 1676 ki te pèmèt li predi vitès limyè a fini^[37],[38].

Ant 1671 ak 1673, Rømer te obsève yon varyasyon nan dire òbit lalin Jipitè Io^[39] epi li dedwi limyè a pran 10 a 11 minit pou l vwayaje dyamèt òbit Latè^{[40] ,[41]}. Men, se Christian Huygens ki te kalkile vitès limyè a apati obsèvasyon astwonomik Rømer ak Jean-Dominique Cassini: 230 000 km/s, pwobableman paske Rømer te gen dout sou kapasite l pou kapab kalkile valè nimerik yon kantite konsa e ke Cassini rejte ipotèz Rømer a^[42].

Yon lòt metòd pou mezire c se sèvi ak aberasyon limyè a, dekouvri ak eksplike pa James Bradley nan XVIII^e syèk^[43]. Efè sa a eksplike pa adisyon vektè vitès limyè ki soti nan yon sous byen lwen (tankou yon etwal) ak vitès teleskòp la (gade eksplikasyon dyagram adwat la). Yon obsèvatè k ap deplase wè yon reyon limyè ki soti nan yon direksyon yon ti kras diferan epi, an konsekans, obsève sous la nan yon pozisyon konpanse ak pozisyon kalkile li. Efè sa a se sous mouvman aparan zetwal yo nan syèl la depi direksyon vitès Latè a toujou ap chanje (li orbit Solèy la epi li vire). Dapre diferans angilè nan pozisyon zetwal yo (20,5 arcseconds)^[44], li posib pou detèmine c dapre vitès Latè alantou Solèy la lè w konnen dire yon Latè konplè. òbit. An 1729, Bradley te detèmine ke c se Modèl:Val fwa pi vit pase vitès òbit Latè a^{[note 2]}. Ekivalan, li pran 8  min 12  s pou limyè vwayaje distans Solèy-Latè^[43].

• (en)/(fr) Yon pati nan atik sa a oswa tout atik la soti nan en anglè « Speed of light » (gade lis otè yo) et en fransè « Vitesse de la lumière » (gade lis otè yo).

Gen yon kategori ki konsakre ak sijè sila a : Vitès limyè.