Vitesse relative et vitesse de la lumière : explications détaillées

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L'article traite du concept de la théorie restreinte de la relativité qui inclut la vitesse relative et la vitesse de la lumière. 

La vitesse relative et la vitesse de la lumière représentent le mouvement des multiples corps interagissant les uns avec les autres. La vitesse de l'un des mobiles par rapport à l'autre est calculée comme leur vitesse relative. En revanche, la limite maximale des deux vitesses relatives est la "vitesse de la lumière". 

La vitesse de tout objet dépend du cadre. Cela signifie que la vitesse d'un objet doit être estimée par rapport à une image d'un autre objet en interaction, même si un objet est au repos ou en mouvement. 

Si les deux objets A et B se déplacent dans la même direction, leur vitesse relative VAB est la somme des deux vitesses (VA + VB). 

Si les deux objets A et B se déplacent dans la direction opposée, leur vitesse relative VAB est la différence entre leurs vitesses (VA – VB). 

La vitesse relative est caractérisée par le référentiel d'un autre objet ou observateur, représenté par des coordonnées spatiales (x,y,z,t). 

Mais il doit y avoir la plus grande valeur à la vitesse de chaque objet, découverte par l'astronome danois Ole Roemer. Il a expérimenté la vitesse de ondes électromagnétiques EM voyager sur la terre. Il a calculé que les ondes lumineuses mettaient 17 minutes pour parcourir le diamètre de l'orbite terrestre. En divisant le diamètre de l'orbite par la différence de temps, la vitesse de la lumière (c) est comptée comme 186,000 XNUMX miles par seconde. 

James Maxwell a proposé que la lumière, l'une des ondes électromagnétiques, se déplace à 1,86,000 miles par seconde ou 3.8 x 108 Mme. Einstein a cultivé la théorie restreinte de la relativité en émettant l'hypothèse que la valeur de la vitesse de la lumière est constante et indépendante du mouvement de sa source.

Selon la théorie de la relativité d'Einstein, il existe une limite de vitesse pour chaque matière, énergie ou signal qui transporte l'information dans l'espace. Cela signifie que la vitesse relative entre deux corps en interaction a une limite de vitesse égale à la vitesse de la lumière. 

Vitesse des ondes électromagnétiques
Vitesse des ondes électromagnétiques
(crédit: shutterstock)

La vitesse relative peut-elle dépasser la vitesse de la lumière ?

La vitesse relative de tout objet ne peut pas dépasser la valeur de la vitesse de la lumière. 

Tous les rayonnements électromagnétiques contiennent des particules sans masse. Par conséquent, ils demandent moins d'énergie pour atteindre la vitesse de la lumière. Comparativement, les particules de masse non nulle demandent une énergie extrêmement importante. Par conséquent, l'onde EM se déplace à la vitesse de la lumière, malgré le cadre de référence ; mais ne peut pas le dépasser.

Vitesse relative et vitesse de la lumière
Vitesse relative et vitesse de la lumière (crédit: shutterstock)

Auparavant, les physiciens supposaient qu'il n'y avait pas de limite à la vitesse d'un objet. Mais Einstein a découvert la valeur de la vitesse de la lumière (c) dans le vide comme limite de vitesse pour tous les objets sur terre. Ceci signifie qu'aucun objet ne peut se déplacer plus vite que la valeur 3 x 108 m/s. La vitesse relative de l'objet particulier de masse non nulle est calculé dans le référentiel de l'autre objet. Mais aucun observateur ne verra un observateur dans un autre référentiel approcher ou dépasser la valeur c. 

Supposons qu'un homme voyage dans le train et qu'un autre homme se trouve à l'extérieur du train. L'homme à l'intérieur du train a attrapé l'homme à l'extérieur, passant à 30 km/h, tandis que l'homme à l'extérieur a aperçu l'homme à l'intérieur du train, passant à 250 km/h. La question sur 'quelle est la vitesse réelle du train' n'a pas de réponse unique.

La vitesse du train par rapport à l'homme debout à l'extérieur du train est déterminée en ajoutant des vitesses de 30 + 250 = 280 km/h. En comparaison, la vitesse du train par rapport à l'homme à l'intérieur du train est de 30 km/h. De plus, la vitesse du même train par rapport à la galaxie est de 2,20,000 XNUMX m/s. 

Introduisons les ondes EM dans un exemple tel que le train voyageant la nuit, et l'homme à l'extérieur du train éclairant un flash de lumière par torche sur l'homme à l'intérieur du train. Nous comprenons que la vitesse du train par rapport à l'homme à l'extérieur est de 280 km/h. En même temps, la lumière a une vitesse de 3 x 108 Mme. Ainsi, la vitesse de la lumière par rapport au train est de 3 x 108 m / s. 

Si nous aimons calculer la vitesse de la lumière par rapport à l'homme à l'intérieur du train, nous dirions 280 + 3 x 108 = 3,00,000,280 m/s. Mais ce n'est pas valide. La vitesse de la lumière par rapport à l'homme à l'intérieur du train est toujours de 3 x 108 selon la théorie de la relativité d'Einstein. Parce que toutes les vitesses sont relatives, la vitesse de la lumière est une valeur constante absolue ou universelle indépendante du milieu et du cadre de référence qu'elle a parcourus.

Par conséquent, quelle que soit la vitesse à laquelle l'observateur se déplace par rapport à la source lumineuse, la vitesse de la lumière est la même lorsqu'un observateur la voit. Nous avons compris que la vitesse relative s'acquiert en additionnant les vitesses, mais elle ne peut pas dépasser la valeur c. 

Pourquoi les vitesses relatives ne peuvent-elles pas dépasser la vitesse de la lumière ?

La vitesses relatives ne peut pas dépasser la vitesse de la lumière en raison de la grande nécessité d'énergie. 

Les objets en interaction doivent garder de grandes masses pour se déplacer à une vitesse plus élevée. Plus un objet est énorme, plus il se déplace rapidement. Cependant, les objets demandent une quantité infinie d'énergie pour dépasser leurs vitesses relatives à la vitesse de la lumière, ce qui n'arrive pratiquement pas pour les objets de masse non nulle. 

Équivalence masse-énergie
Équivalence masse-énergie 

Einstein a développé le équivalence masse-énergie qui prédit la quantité d'énergie nécessaire pour déplacer un objet ayant une masse non nulle. E = mc2. La formule nous révèle que les quantités d'énergie et de masse sont interconvertibles. Cela signifie que la masse peut être transformée en énergie et vice versa. L'équivalence masse-énergie définit le taux d'échange entre l'énergie et la masse. 

Les ondes EM déchargent une grande quantité d'énergie dans le processus de conversion d'énergie. Les ondes lumineuses ne comprennent que des protons de masse nulle au repos. Dans la formule d'équivalence masse-énergie, la petite masse des ondes lumineuses est convertie en énergie la plus élevée possible pour se déplacer à la vitesse la plus élevée possible. 

Les vitesses relatives ne peuvent dépasser la vitesse de la lumière que si ;

  • La distance entre eux est nulle.
  • Le temps nécessaire pour voyager est infini.
  • Aucun type de force de contact ou sans contact n'agit sur les deux, de sorte que leur accélération est nulle.
  • Et leurs masses sont infinies. 

Ainsi, l'objet ayant des masses infinies n'est pas pratique dans la vie réelle. C'est pourquoi non objets ou leurs vitesses relatives ne peut pas dépasser la valeur de la vitesse de la lumière. 

Est-ce que quelque chose peut aller plus vite que la vitesse de la lumière ?

Un objet de masse nulle peut aller plus vite et même atteindre la valeur de la vitesse de la lumière mais ne jamais la dépasser.

La Grand collisionneur de hadrons (LHC) est l'accélérateur de particules qui a atteint la vitesse de la lumière de 99.99 % par rapport à un autre groupe de protons. Mais pour aller plus vite que la valeur c, l'énergie nécessaire est supérieure à l'énergie consommée par toute la ville.  

Grand collisionneur de hadrons
Grand collisionneur de hadrons
(crédit: shutterstock)

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