La vitesse de la lumière a-t-elle changé dans le passé ?

Date : sam 14 Avr 2018 Catégorie
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Auteur : Antoine Bret – Physicien Chercheur.
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Vous vivez à 200 kilomètres de chez moi. Vous venez d’arriver, et vous avez roulé à 100 km/h. Vous êtes donc parti il y a 2 heures. Vous existez donc depuis plus de 2 heures. Simple.

C’est en substance l’un des nombreux problèmes qui se posent aux partisans d’un univers jeune : s’il y a des étoiles distantes de plus de 6 000 année lumières, et si la lumière va toujours à la même vitesse, c’est qu’elle est partie il y a au moins 6 000 ans. L’univers a donc été créé il y a plus de 6 000 ans. Simple.

6 000 années lumières, en terme cosmologique, c’est vraiment la porte à côté. En fait, si l‘univers observable était grand comme la France du nord au sud (environ 1 000 km), 6 000 années lumières, ce serait littéralement le bout de mon nez. 6 centimètres. Comment donc expliquer que je peux voir plus loin que le bout de mon nez, si la lumière apparue il y a 6 000 an n’a pas eu le temps de faire plus de chemin ? C’est pour les créationnistes jeune terre « le problème de la lumière des étoiles » (« starligt problem », en anglais).

Une solution souvent évoquée est que la lumière ne va pas toujours à la même vitesse. C, la lettre qui désigne la vitesse de la lumière, aurait changé dans le passé. C’est de cela que je voudrais parler ici.

Que disent les observations ?

La vitesse de la lumière n’est pas un paramètre accessoire que l’on peut changer sans affecter le reste des choses. C’est par exemple le seul paramètre qui intervient dans les équations de Maxwell, qui décrivent la propagation de la lumière. C’est, re-par exemple, l’un des 3 paramètres qui apparaissent dans les équations d’Einstein qui régissent la gravitation[1]. Changer c, c’est changer les lois de la nature.

La constance des lois de la nature dans le temps n’est pas une supposition. Elle est déduite des observations. En effet, comme le disait Paul Dirac,

On suppose généralement que les lois de la nature ont toujours été les mêmes. Il n’y a pas de justification à cela. Il se pourrait que les lois aient changé, et en particulier, il se pourrait que les quantités qui sont considérées comme des constantes de la nature varient en fait sur des temps cosmologiques[2].

C’est justement parce que les gens sont bien conscients de cela, que la recherche d’indices qui indiqueraient une variation des constantes fondamentales, c y compris, a fait l’objet de pas mal de recherches.

Récemment, en 2010, un article de 145 pages passait en revue l’état des connaissances en la matière[3]. Voici quelques-uns des points principaux qui indiquent qu’aucune variation de c n’a été détectée, y compris sur des temps cosmologiques (c’est-à-dire de l’ordre de la dizaine de milliard d’années) :

  • Chaque noyau d’atome, chaque atome, chaque molécule, émet de la lumière sur une série de longueurs d’ondes qui lui est propre. C’est ce qu’on appelle son « spectre ». Un peu comme son code-barre. Et bien que l’on regarde au bout de mon nez (6 000 années lumières), au bout de la table (100 000) ou bien plus loin encore, on voit les mêmes codes-barres[4]. Les mêmes noyaux, les mêmes atomes, les mêmes molécules, régis par les mêmes lois qui dépendent, entre autres, de c.
    Le nombre d’observations est ici vertigineux. La base de données SIMBAD, par exemple, contient des mesures de spectres pour plus de 9 millions d’objets célestes dans notre galaxie (moins de 100 000 années lumières environ – le bout de la table).
    La NASA/IPAC Extragalactic Database est une base de données d’objets situés en dehors de notre galaxie, c’est-à-dire distants de plus de 100 000 années lumières environ. Elle contient plus de 200 millions d’entrées.
  • Les lois de la physique nucléaire dépendent aussi de la vitesse de la lumière[5]. Ce sont elles qui déterminent comment les noyaux des atomes fissionnent (comme dans nos centrales nucléaires), fusionnent (comme au cœur du soleil, ou dans pas mal de laboratoires), ou bien se désintègrent quand ils sont radioactifs. L’astrophysique nucléaire est une discipline en plein essor, qui étudie les phénomènes astrophysiques de nature nucléaire.
    Je ne citerai qu’un seul exemple, pour abréger. Quand une supernova de type « 1a » explose, on observe la décroissance radioactive du Nickel vers le Cobalt, puis du Cobalt vers le Fer. On peut tout à fait mesurer la demi-vie de ces éléments après l’explosion. Elle est la même que celle que l’on observe sur terre[6]. Une recherche de ce type de supernova sur cette base de données vient de me retourner 14 415 résultats.
  • Les équations de la relativité générale[7] dépendent aussi de c. Quand deux étoiles très denses tournent l’une autour de l’autre, elles perdent de l’énergie car elles émettent des ondes gravitationnelles[8]. En conséquence, la période de rotation diminue d’une quantité qui dépend de la vitesse de la lumière.
    Ce genre de couple est parfois appelé pulsar binaire. Un recensement effectué en 2008 en dénombrait 223. Le plus célèbre est le premier que l’on ait découvert, en 1975[9]. Situé à 21 000 années lumières, il est sous observation depuis. Vous trouverez ci-dessous 40 ans de comparaison entre les prédictions de la relativité générale concernant la période de rotation (la ligne continue), et les observations (les points noirs). La ligne horizontale en haut du graphique est la prédiction de la gravitation Newtonienne : rien ne change.

On le voit, il ne s’agit pas de quelques observations isolées qui suggèrent que peut-être, la vitesse de la lumière n’a pas trop varié dans le passé. Il s’agit de millions d’observations qui montrent la même chose.

 

Terminons cette section par une observation assez remarquable et très emblématique de toute cette histoire.

Comme on l’a déjà vu sur ce site, une masse courbe la lumière qui passe à ses côtés. Plus elle est lourde, plus elle courbe. C’est ainsi que l’on peut observer des mirages gravitationnels dans une situation telle que celle représentée ci-dessous,

 

Imaginons qu’une étoile explose. Une supernova. Supposons aussi que quelque chose de lourd (quelques galaxies, par exemple) se trouve entre moi et cette étoile. La supernova m’envoie de la lumière par le chemin bleu et le chemin rouge. Et comme la lumière est courbée, je vois double (les mirages rouge et bleu).

Si vous regardez bien, vous verrez que le chemin bleu est plus court que le rouge. Si bien que je devrais voir le mirage bleu avant le rouge. Si, au moment où je détecte le mirage bleu, j’ai assez d’information sur l’ensemble, je peux prédire le moment où apparaitra le mirage rouge.

C’est exactement ce qui s’est passé en 2014-2015 avec la « supernova Refsdal »[10] : en 2014, des astronomes observèrent une supernova distante d’environ 10 milliards d’années lumières. Sa lumière avait été courbée par un amas de galaxies, si bien que 4 mirages étaient visibles. L’étude des observations permit de prédire qu’un autre mirage devait apparaitre un an plus tard, vers novembre 2015. Un an plus tard, le mirage prévu apparaissait. Inutile de dire que la vitesse de la lumière joue le premier rôle dans le timing des apparitions : une variation ne serait-ce que de 1% de c, sur un trajet de 1 million d’années lumières, se traduirait en effet par une différence de presque 10 000 ans à l’arrivée. Pouvoir prédire l’apparition du 5eme mirage avec quelques semaines de précisions ne laisse ainsi pas beaucoup de marge de manœuvre à la vitesse de la lumière.

 

La question est donc tranchée sans ambigüité par les observations : la vitesse de la lumière n’a pas varié depuis plus d’une dizaine de milliard d’années, au moins[11]. Peut-être un jour une infime variation sera-t-elle détectée[12], « infime », c’est à dire inferieure aux marges d’erreur des mesures actuelles. Mais quoiqu’il en soit, une multiplication de c par 10, 100 ou 1 000, nécessaire pour que la lumière émise de 60 000, 600 000 ou bien 6 000 000 d’années lumières nous arrive en moins de 6 000 ans, est complètement exclue.

 

A ce stade, ceux qui en ont assez lu peuvent passer à autre chose. Les autres peuvent faire un pause Kit-Kat, ou bien poursuivre la lecture. Même si la messe est dite, j’aimerais en effet aborder quelques problèmes conceptuels que posent une variation de c. Certes, si l’observation nous disait que c a changé, nous n’aurions plus qu’à affronter les problèmes en question. Mais ce n’est pas le cas, tandis qu’il me semble que les partisans de c variables n’en sont en général pas conscients.

 

Et l’ajustement fin, alors ?

Je passerai brièvement sur ce point, car il a déjà été discuté dans ces pages. Il consiste juste à se rendre compte que l’ajustement fin des constantes des lois de la nature, argument fort prisé en faveur de l’existence de Dieu, implique que la vitesse de la lumière n’a pas changé. On pourrait de fait faire une liste des raisons pour lesquelles c n’a pas dû varier beaucoup, en suivant l’argumentaire de l’ajustement fin[13].

Redisons que si l’observation montrait que c avait changé, l’ajustement fin n’aurait plus qu’à se rhabiller. Mais ce n’est pas le cas, et il est donc complétement incohérent de brandir l’ajustement fin d’une main, tout en jouant avec la vitesse de la lumière, de l’autre.

 

Et pourtant, ils tournent (les patineurs)

Sur terre, l’expérience montre que les lois de la nature ne changent pas quand on change d’endroit, de moment, ou d’orientation.

  • Votre sèche-cheveux va-t-il se comporter différemment selon que vous êtes chez vous ou bien chez un ami ? Non. Rien ne se passe quand on change d’endroit.
  • Votre sèche-cheveux va-t-il se comporter différemment selon que vous l’utilisez face au miroir de la salle de bain, ou bien en lui tournant le dos ? Non. Rien ne se passe quand on change d’orientation.
  • Votre sèche-cheveux va-t-il se comporter différemment le matin que l’après-midi ? Non. Rien ne se passe quand on change de moment.

Tout cela parait évident, et pourtant, la chose a des conséquences étonnantes. Imaginons par exemple que demain, la constante de gravitation universelle G, change. Je mets aujourd’hui un poids de 1 kg sur une échelle. Cela me coûte une certaine énergie qui dépend de G. Demain, quand G est plus grand, je le laisse tomber… en récupérant une énergie supérieure à celle que m’a coûtée son ascension[14]. Conclusion : si G change, l’énergie n‘est pas conservée.

  • Question 1 : si autre chose que G change, comme c par exemple, est-ce que l’énergie n’est pas conservée non plus ? Non, elle ne l’est pas. Emmy Noether a en fait démontré en 1918 que l’énergie est conservée si et seulement si les lois de la nature ne changent pas dans le temps.
  • Question 2 : Le fait que les lois de la physique ne changent pas dans le temps donne la conservation de l’énergie. OK. Et le fait que ces lois ne changent pas quand on change d’endroit, ou quand on change d’orientation, ça donne aussi la conservation de quelque chose ? Oui. Selon le théorème de Noether, l’indépendance de l’endroit donne la conservation de la quantité de mouvement. Et l’indépendance de l’orientation donne la conservation du moment angulaire (ce qui fait que les patineurs tournent plus vite quand ils resserrent les bras, d’où le titre du paragraphe).

Quel est le rapport avec notre problème ? Si la lumière va plus vite quand elle vient vers la terre que quand elle en part[15], c’est que les équations de Maxwell ne sont pas invariantes par changement d’orientation. Si la lumière allait plus vite dans le passé, c’est que les mêmes équations ne sont pas invariantes dans le temps. Et si ces mêmes équations peuvent faire ce qu’elles veulent au-delà du bout de mon nez, tandis qu’ici sur terre elles se tiennent tranquilles, c’est qu’elles ne sont pas non plus invariantes quand on change d’endroit. Et je pourrais écrire exactement la même chose avec les équations de la relativité générale, ou bien celles de la physique nucléaire.

Si donc la vitesse de la lumière change, alors l’énergie n’est pas conservée, la quantité de mouvement non plus, et les patineurs ne tournent pas plus vite quand ils resserrent les bras. De surcroit, les couples énergie/temps, quantité de mouvement/position, moment angulaire/orientation, se retrouvent en mécanique quantique comme grandeurs conjuguées via le principe d’incertitude d’Heisenberg. Ce n’est pas un hasard.

Autant de conséquences qui devraient inciter à tourner 7 fois sa langue dans sa bouche avant de déclarer un peu benoitement, « ben quoi, pourquoi la vitesse de la lumière n’aurait pas varié ? ».

 

Conclusion

Concluons par le cas de deux types d’expériences souvent évoquées dans les discussions sur la vitesse de la lumière.

  • Dans son laboratoire d’Harvard, Lene Hau s’amuse à faire passer des photons dans des substances bizarres qu’ils mettent un temps fou à traverser. Version journalistique : « Lene Hau ralentit la lumière ! Branlebas de combat, tout le monde à son poste ! La vitesse de la lumière change ! »
    Ben non.
    C’est « juste »[16] que la substance en question absorbe les photons, les réémet, les réabsorbe, les réréémet, les réréabsorbe, etc, si bien que les pauvres n’arrivent pas à avancer. Un peu comme un photon émis au centre du soleil peut mettre des centaines de milliers d’années à en sortir. Mais pas de panique, les équations de Maxwell sont les mêmes à Harvard que dans votre salon.
  • Rengaine similaire avec cette expérience, dans laquelle des chercheurs ont apparemment, du moins selon la presse, ralenti la lumière. Ici encore, les équations de Maxwell sont les mêmes dans leur laboratoire, que chez moi. C’est « juste »[17] qu’en arrangeant savamment plusieurs lasers, ils ont réussi à ralentir la vitesse de transport de l’énergie de l’ensemble des faisceaux. Ce qu’on appelle la « vitesse de groupe ». Mais non, c n’a pas changé d’un poil.

 

Ainsi donc, les observations sont claires : la lumière va à la même vitesse depuis une dizaine de milliards d’années, au moins. Et la direction de propagation n’y change rien. Puissent les créationnistes jeune terre l’admettre le plus tôt possible.

 

 


Notes

[1] Les 2 autres sont la constante de gravitation universelle G, et la constante cosmologique L.

[2] Paul Dirac, Sur les méthodes en physique théorique, juin 1968, Trieste.

[3] L’un des auteurs, Jean-Philippe Uzan, a écrit un ouvrage de vulgarisation sur le même thème intitulé De l’importance d’être une constante.

[4] Voir aussi sur ce point A. Bret, The World Is Not Six Thousand Years Old – So What?

[5] Ibid.

[6] Voir par exemple la figure 3B de cet article.

[7] Ce sont elles qui prennent le relai de la gravitation de Newton, quand le champ gravitationnel devient fort.

[8] Ce sont ces ondes qui ont été détectés pour la première fois en 2016. Nous en avions parlé ici, et ici.

[9] Il a valu le prix Nobel 1993 à ses découvreurs, Joseph Taylor et Russell Hulse.

[10] Je donne la page Wikipedia en anglais, bien plus précise que la française.

[11] On peut en fait remonter jusqu’à quelques secondes après le Big Bang, puisque la physique connue semble bien décrire les conséquences observationnelles de ce qui a dû se passer à cette époque (nucléosynthèse primordiale). Avant cela, c’est l’inconnu, dans lequel peuvent fleurir des théories à vitesse de la lumière variable qu’aucune observation ne peut pour le moment réfuter ni confirmer.

[12] Certains auraient détecté une très légère variation de la « constante de structure fine », de l’ordre de 0,001% il y a 10 milliards d’années, dans laquelle intervient la vitesse de la lumière. Mais la détection en question est très débattue.

[13] Voir par exemple ici, en particulier les paragraphes 4.5 à 4.8, ou bien du même auteur, A Fortunate Universe –

Life in a Finely Tuned Cosmos (Cambridge Press).

[14] Expérience de pensée empruntée à Etienne Klein.

[15] Comme le suggèrent certains.

[16] Je mets des guillemets car les expériences en question sont des œuvres d’art.

[17] Idem.

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