Question d'origine :

Bonjour, Admettons que je voyage sur un rayon du lumière dans le vide spatial un miroir à la main, suis-je capable de voir mon reflet? Merci!

Réponse du Guichet

Avatar par défaut bml_sci - Département : Sciences et Techniques
Le 11/08/2014 à 08h02
Bonjour,

La question que vous posez est une petite expérience de pensée (Gedankenexperiment) qu’Albert Einstein s’est posée à l’âge de 16 ans :

À l’âge de 16 ans, Einstein s’était déjà demandé à quoi cela ressemblerait de voyager sur un rayon de lumière. Si la lumière était une vibration électrique et magnétique dans l’éther, semblable aux ondes sonores vibrant dans l’air, alors l’analogie disait que, tout comme le son se propage à Mach 1 par rapport à l’air, de même la lumière se propage à 300.000 km par seconde par rapport à l’éther. Il n’y avait pas d’avion à réaction en 1901, mais si cela avait été le cas, il aurait pu en imaginer un à Mach 1, allant à la même allure que le son, volant à la même vitesse que les ondes de pression dans l’air. Si maintenant on remplace l’air par l’éther et le son par la lumière, on peut s’imaginer voyageant avec l’onde de lumière. Mais cela avait des conséquences bizarres, pour peu que l’analogie avec le son soit correcte.
Tout d’abord, si vous vous regardez dans un miroir, votre image aura disparu : la lumière qui vient de vous va en direction du miroir à la même vitesse que vous-même, et donc ne peut arriver jusqu’au miroir, et encore moins y être réfléchie, avant que vous n’y soyez vous-même aussi. C’était psychologiquement étrange, mais autant que je sache il n’y a rien qui dise que l’image d’une personne est sacro-sainte au point que cela ne puisse être le cas. C’est quand il regarda ce que la théorie de Maxwell permettait qu’une incongruité physique apparut. Si vous poursuivez et finalement rattrapez une onde oscillante faite de champs électriques et magnétiques, et que vous avancez avec elle à la vitesse c, vous percevrez un champ électromagnétique qui oscillerait de part et d’autre, mais qui n’avancerait pas ; il serait au repos. Or ce n’est pas possible dans les équations de Maxwell : les ondes électromagnétiques doivent se déplacer à la vitesse c. Apparemment si la théorie de l’électromagnétisme de Maxwell est correcte, et tout ce que nous connaissons plaide en sa faveur, alors la situation imaginée par Einstein, se déplacer à la vitesse de la lumière, est impossible : nous ne pouvons jamais atteindre la vitesse de la lumière.

Source : futura-sciences

Est-il possible, en courant assez vite en tenant un miroir devant soi, que le miroir puisse se dérober devant la lumière de sorte que celle-ci ne puisse pas l'atteindre ?
Une des questions les plus pertinentes de toute l'histoire de la physique ! et qui va révéler de manière incontournable l'incohérence de la physique de son époque :

si la lumière émise par mon visage rattrape le miroir quand je cours à la vitesse de la lumière, je me trouverai en contradiction avec l'électromagnétisme qui me dit que la lumière est une onde et donc que sa vitesse ne dépend pas de la vitesse de la source (mais seulement de celle de son milieu matériel support).

Si la lumière ne rattrape pas le miroir quand je cours à la vitesse de la lumière, alors mon image en disparaîtra et je pourrai en déduire de manière absolue que je me déplace à la vitesse de la lumière en contradiction avec le principe de relativité de la mécanique.

Source : Les débuts de la relativité restreinte - Relativté restreinte (1/3), Culture Sciences-Physiques (ENS de Lyon)


Il s’agit d’une variante du paradoxe des deux photons qui se suivent :

« La vitesse de la lumière est censée rester la même dans tous les repères. En ce cas quid d'un photon qui suit un autre photon ? Le premier va-t-il vraiment à la vitesse de la lumière par rapport au photon qui le suit ? En ce cas, pourquoi restent-ils à la même distance ? »
Physiquement, la question peut paraître insoluble concernant le photon, mais on a le droit d'imaginer ce qui se passe concernant l'espace associé en considérant des « particules » hypothétiques se déplaçant par exemple à , , . On s'aperçoit qu'asymptotiquement le temps se ralentit dans le repère associé à ces particules. Par passage à la limite (il s'agit d'une simple expérience de pensée !), le temps de trajet tend vers zéro à mesure que la vitesse se rapproche de . Rien d'étonnant donc à ce que l'« éloignement » de ces « particules » au cours du « trajet » tende vers zéro aussi sans que la vitesse de l'une par rapport à l'autre soit le moins du monde en cause.
Remarquons que dans le repère lié à ces particules, la vision de la chose est bien plus simple : c'est l'univers entier qui se contracte de plus en plus à mesure qu'on imagine la vitesse se rapprochant de . Si l'on avait le droit de passer à la limite (on a toujours le droit de le faire mathématiquement, même si physiquement ce n'est pas réalisable), on dirait que les photons ont simplement, de leur point de vue, « franchi une distance nulle » !
En termes plus savants : « La courbe d'univers d'un rayon lumineux dans l'espace-temps de Minkowski est une géodésique de longueur nulle » ( ).
On remarquera aussi que la limitation de vitesse à ne vaut que pour un observateur extérieur. À cause de ce ralentissement de son temps propre, le passager d'un corps mobile à vitesse relativiste aurait bien l'impression en regardant sa montre d'aller aussi vite qu'il le veut entre deux points. Hélas, cette impression ne vaut que pour lui.

Source : Wikipedia


Pour aller plus loin :

Le Miroir d’Einstein, ENS de Lyon


Bonne journée.

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