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Physique · 4 affiches · formule n° 52

La vitesse de la lumière

Dans le vide, la lumière se propage à 299 792 458 mètres par seconde, ni plus ni moins : depuis 1983, cette vitesse sert à définir le mètre. Maxwell a montré qu’elle découle de deux constantes de l’électricité et du magnétisme.

Voir les 4 affiches 9 contrôles par le calcul

Dans le vide ; μ0\mu_0 et ε0\varepsilon_0 sont la perméabilité et la permittivité du vide. Depuis 1983, cette valeur est exacte : elle définit le mètre. Dessin : la distance parcourue par la lumière en une nanoseconde, une microseconde, une milliseconde, une seconde, un jour et un an, en échelle logarithmique ; l’arc en couleur est celui du Soleil, à 11 unité astronomique.

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que dit la formule

Dans le vide, la lumière, comme toutes les ondes électromagnétiques (ondes radio, infrarouge, rayons X…), se propage à la vitesse

c=1μ0ε0c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0\,\varepsilon_0}}
  • cc : la vitesse de la lumière dans le vide, en mètres par seconde.
  • μ0\mu_0 : la perméabilité magnétique du vide, environ 1,256637061×10−61{,}256\,637\,061 \times 10^{-6} N/A² (valeur recommandée CODATA 2022).
  • ε0\varepsilon_0 : la permittivité électrique du vide, environ 8,854187818×10−128{,}854\,187\,818 \times 10^{-12} F/m (CODATA 2022).

La valeur de cc est exacte : c=299792458c = 299\,792\,458 m/s. Ce n’est plus une mesure mais une définition. Depuis 1983, le mètre est la longueur parcourue par la lumière dans le vide en 1/2997924581/299\,792\,458 de seconde. Inversement, depuis la révision du Système international de 2019, μ0\mu_0 et ε0\varepsilon_0 ne sont plus fixés : ce sont des grandeurs mesurées, avec une petite incertitude, mais la relation μ0ε0c2=1\mu_0\, \varepsilon_0\, c^2 = 1 reste exacte.

Deux précisions. Dans un milieu transparent (eau, verre), la lumière va moins vite, à la vitesse c/nc/n où nn est l’indice de réfraction du milieu. Et, d’après la relativité restreinte, cc est la même pour tous les observateurs en mouvement uniforme, quelle que soit la vitesse de la source : c’est la vitesse limite de tout signal.

Un exemple

Du Soleil à la Terre. L’unité astronomique, distance de référence entre la Terre et le Soleil, vaut exactement 149 597 870 700 m. La lumière la parcourt en

t=149597870700299792458≈499,004 s,t = \frac{149\,597\,870\,700}{299\,792\,458} \approx 499{,}004\ \mathrm{s},

soit environ 8 minutes et 19 secondes. Comme l’orbite de la Terre est une ellipse, ce temps varie au cours de l’année, d’environ 8 min 10 s début janvier (147 098 450 km) à environ 8 min 27 s début juillet (152 097 597 km).

De la Lune à la Terre. Pour la distance moyenne de 384 399 km, environ 1,28 seconde.

Une nanoseconde. En un milliardième de seconde, la lumière parcourt exactement 29,979 245 8 cm : à peine 30 cm. C’est une contrainte réelle pour les circuits électroniques rapides.

L’année-lumière. C’est la distance parcourue en une année julienne de 365,25 jours : 299792458×365,25×86400=9460730472580800299\,792\,458 \times 365{,}25 \times 86\,400 = 9\,460\,730\,472\,580\,800 m exactement, environ 9 460 milliards de kilomètres.

Vérification avec μ0\mu_0 et ε0\varepsilon_0. Avec les valeurs CODATA 2022, 1/μ0ε01/\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0} donne environ 299 792 457,9998 m/s : l’écart avec la valeur exacte est très inférieur à l’incertitude de ces deux mesures.

Pourquoi c’est vrai

La formule découle des équations de Maxwell. Dans le vide, sans charges ni courants, elles relient les variations du champ électrique E\mathbf{E} et du champ magnétique B\mathbf{B} :

∇×E=−∂B∂t,∇×B=μ0ε0∂E∂t.\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}, \qquad \nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \varepsilon_0\, \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}.

Prenons un champ électrique orienté selon xx et un champ magnétique selon yy, qui ne dépendent que de zz et de tt. Les deux équations deviennent ∂E∂z=−∂B∂t\frac{\partial E}{\partial z} = -\frac{\partial B}{\partial t} et −∂B∂z=μ0ε0∂E∂t-\frac{\partial B}{\partial z} = \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial E}{\partial t}. En dérivant la première par rapport à zz, la seconde par rapport à tt, et en éliminant BB :

∂2E∂z2=μ0ε0∂2E∂t2.\frac{\partial^2 E}{\partial z^2} = \mu_0\, \varepsilon_0\, \frac{\partial^2 E}{\partial t^2}.

C’est l’équation d’une onde qui se propage à la vitesse 1/μ0ε01/\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0} : une onde de forme quelconque E=f(z−vt)E = f(z - vt) qui se déplace sans se déformer la vérifie lorsque v2=1/(μ0ε0)v^2 = 1/(\mu_0 \varepsilon_0), puisque ses dérivées secondes valent f″f'' par rapport à zz et v2f″v^2 f'' par rapport à tt.

Un peu d’histoire

En 1676, l’astronome danois Ole Rømer, à l’Observatoire de Paris, remarque que les éclipses d’Io, une lune de Jupiter, prennent du retard quand la Terre s’éloigne de Jupiter : il en conclut que la lumière met un temps fini à voyager. Christiaan Huygens en tire une première estimation, de l’ordre de 220 000 km/s. En 1729, James Bradley obtient un résultat plus précis grâce à l’aberration des étoiles.

Les premières mesures sur Terre sont françaises : Hippolyte Fizeau utilise en 1849 une roue dentée tournant devant un faisceau renvoyé par un miroir lointain et trouve environ 315 000 km/s ; Léon Foucault obtient en 1862, avec un miroir tournant, 298 000 km/s, à 500 km/s près.

Entre-temps, en 1856, Wilhelm Weber et Rudolf Kohlrausch mesurent le rapport entre les unités électromagnétique et électrostatique de charge, en déchargeant une bouteille de Leyde : ce rapport, qui correspond à 1/μ0ε01/\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}, est une vitesse, très proche de celle que Fizeau avait mesurée pour la lumière. En 1865, James Clerk Maxwell en tire la conclusion : la lumière est une onde électromagnétique, qui se propage à la vitesse prévue par ses équations.

Au XXe siècle, les lasers permettent des mesures de plus en plus précises ; en 1975, la Conférence générale des poids et mesures recommande la valeur 299 792 458 m/s. En 1983, elle franchit le pas : cette valeur devient exacte et sert à définir le mètre.

Ce que montre l’affiche

Le dessin représente des fronts de lumière partis d’un même point : chaque arc a pour rayon le logarithme de la distance parcourue par la lumière en 10−910^{-9} s, 10−610^{-6} s, 10−310^{-3} s, 1 s, un jour et un an, et un arc en couleur marque l’unité astronomique, la distance du Soleil. Au-dessus de l’axe figure la durée, au-dessous la distance, toutes deux calculées à partir de cc par le programme : 29,9 cm, 299 m, 299 km, 299 792 km, puis 2,59 × 10¹⁰ km pour un jour et 9,46 × 10¹² km pour un an ; pour le Soleil, la durée calculée est de 8 min 19 s. Le dessin est calculé par des programmes écrits pour l’atelier ; l’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Sources : Vitesse de la lumière (Wikipédia) (nouvel onglet), Speed of light (Wikipedia) (nouvel onglet), vitesse de la lumière (NIST) (nouvel onglet), définition du mètre, 17e CGPM, 1983 (BIPM) (nouvel onglet), μ0 (NIST) (nouvel onglet), ε0 (NIST) (nouvel onglet), Astronomical unit (Wikipedia) (nouvel onglet), Light-year (Wikipedia) (nouvel onglet).

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • 1/√(μ₀ε₀) = c (CODATA 2018)obtenu 299792458.0000065, attendu 299792458, écart 2.17e-14 (tolérance 1e-9)
  • 1/√(μ₀ε₀) = c (CODATA 2022)obtenu 299792457.9998211, attendu 299792458, écart 5.97e-13 (tolérance 1e-9)
  • dimensions : 1/√(μ₀ε₀) est une vitesse (m/s)[1,0,-1,0,0] contre [1,0,-1,0,0] (m, kg, s, A, K)
  • Soleil → Terre (1 ua exacte) : 499,004 784 s, temps de lumière de l’UAIobtenu 499.00478383615643, attendu 499.004783836, écart 3.13e-13 (tolérance 1e-11)
  • 1 ua / c = 8 min 19 s
  • année-lumière : c × 365,25 × 86 400 s = 9 460 730 472 580 800 m (exact)
  • le mètre : distance parcourue en 1/299 792 458 s
  • dessin : en 1 ns, la lumière parcourt 29,979 245 8 cmobtenu 0.29979245800000004, attendu 0.299792458, écart 1.85e-16 (tolérance 1e-15)
  • dessin : étiquettes calculées29{,}9\ \mathrm{cm} ; 299\ \mathrm{m} ; 299\ \mathrm{km} ; 299\,792\ \mathrm{km} ; 1{,}49 \times 10^{8}\ \mathrm{km} ; 2{,}59 \times 10^{10}\ \mathrm{km} ; 9{,}46 \times 10^{12}\ \mathrm{km}

Sources

Questions fréquentes

Quelle est la vitesse de la lumière ?

Dans le vide, exactement 299 792 458 mètres par seconde, soit environ 300 000 km/s ou un peu plus d’un milliard de km/h.

Pourquoi la vitesse de la lumière est-elle exacte ?

Parce que depuis 1983 elle sert à définir le mètre : le mètre est la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 de seconde. Sa valeur est donc fixée par convention.

Combien de temps met la lumière du Soleil pour arriver sur Terre ?

Environ 8 minutes et 19 secondes pour une unité astronomique. Selon la saison, le trajet dure entre environ 8 min 10 s et 8 min 27 s.

Qui a mesuré la vitesse de la lumière pour la première fois ?

Ole Rømer a montré en 1676 qu’elle était finie, à partir des éclipses d’Io. Les premières mesures sur Terre sont celles de Fizeau en 1849 et de Foucault en 1862.

Quel rapport entre la lumière, μ0 et ε0 ?

Les équations de Maxwell montrent que les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide à 1/√(μ0 ε0). Le calcul redonne la vitesse de la lumière, ce qui a révélé que la lumière est une onde électromagnétique.