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Non content de l'accélérer ou de la ralentir, un physicien fait reculer la lumière !
Ces dernières années, les scientifiques ont découvert des moyens d'accélérer ou de ralentir la lumière, mais des chercheurs de l'université de Rochester viennent de franchir un nouveau cap: faire se déplacer la lumière à reculons. Et comme un défi au sens commun, une impulsion lumineuse qui recule se déplace plus rapidement que la lumière.
Robert Boyd, professeur d'optique à l'université de Rochester, a récemment montré comment ralentir ou accélérer une impulsion lumineuse, en utilisant des techniques et des matériaux exotiques. Il vient désormais de démontrer qu'une vitesse négative, qui n'était auparavant qu'une singularité mathématique théorique, pouvait exister effectivement dans le monde réel.
Robert Boyd et son matériel expérimental
"C'est un phénomène très étrange", explique Boyd. "Nous envoyons une impulsion dans une fibre optique, et avant même que le pic de cette impulsion ne soit entré dans la fibre, il en sort par l'autre extrémité. Lors des expériences nous avons pu voir l'impulsion à l'intérieur de la fibre se déplacer réellement vers l'arrière, et faire la jonction entre les impulsions d'entrée et de sortie".
Cet étrange comportement semble violer le principe d'Einstein suivant lequel rien ne peut se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière. Cependant il n'en est rien. "Selon Einstein, aucune information ne peut se déplacer plus rapidement que la lumière, et dans ce cas-ci, comme avec toutes les expériences à lumière-rapide, aucune information ne se déplace réellement plus rapidement que la lumière", explique Boyd. "L'impulsion lumineuse a la forme d'une bosse avec un sommet et deux pentes abruptes de part et d'autre. La pente avant (le front montant) transporte toute l'information de l'impulsion et pénètre en premier dans la fibre. Avant même que le sommet (le pic) n'entre dans la fibre, le front montant commence déjà à en sortir. A partir de l'information contenue dans ce front, la fibre 'reconstruit' l'impulsion à l'extrémité de sortie, en envoie une version hors de la fibre, et une autre vers l'arrière en direction de l'entrée de la fibre". (Voir les animations ci-après).
Boyd travaille maintenant sur des expériences à base d'impulsion dépourvue de front montant. La théorie prédit dans ce cas que les phénomènes plus-rapides-que-la-lumière et de lumière-à-reculons doivent totalement disparaître.
Comment la lumière se déplace-t-elle à reculons ?
L'expérience de Boyd et de son équipe consiste à envoyer un flash laser dans une fibre optique enrichie à l'erbium. Lorsque l'impulsion quitte le laser, elle est scindée en deux faisceaux. Une impulsion entre dans la fibre et la seconde se déplace le long, sans interférence, et cette dernière est considérée comme l'impulsion de référence. Le pic de l'impulsion émerge alors à l'autre extrémité de la fibre avant que le pic initial n'y pénètre, et ceci bien avant que le pic de l'impulsion de référence ne parvienne au même endroit.
Mais pour démontrer que l'impulsion se déplace réellement vers l'arrière dans la fibre, les chercheurs ont dû découper la fibre tous les quelques centimètres et remesurer les pics d'impulsion lorsqu'ils quittent la section de fibre. En réarrangeant les données et en rejouant le film dans le bon sens, Boyd a pu décrire, pour la première fois, une impulsion de lumière se déplaçant vers l'arrière dans la fibre.
Pour comprendre comment la vitesse de la lumière peut être manipulée, on peut penser aux glaces déformantes grossissantes des fêtes foraines. Lorsqu'on passe devant le miroir, au début tout semble normal, mais dès que l'on passe devant la partie incurvée au centre, l'image réfléchie semble s'étirer, et son bord le plus éloigné semble sauter en avant du marcheur (la référence) pendant un moment. De la même manière, une impulsion lumineuse traversant certains matériaux se déplace à vitesse normale jusqu'à ce qu'elle entre en contact avec une substance particulière, où elle est alors étirée vers l'extrémité du matériau (voir la figure et l'animation ci-dessous).
http://www.rochester.edu/news/photos/fast_light.mpg
Accélérer l'impulsion lumineuse (Cliquer pour visualiser l'animation)
Réciproquement, si le miroir déformant est du type rétrécissant, l'image du promeneur semble soudain s'écraser, et son bord le plus avancé semble ralentir lorsque la partie incurvée est atteinte. De même, une pulsation lumineuse peut être amenée à se contracter et à ralentir à l'intérieur d'un matériau, et atteindre l'extrémité beaucoup plus tard que naturellement (voir la figure et l'animation ci-dessous).
http://www.rochester.edu/news/photos/slow_light.mpg
Ralentir l'impulsion lumineuse (Cliquer pour visualiser l'animation)
Pour visualiser le déplacement à reculons de la pulsation lumineuse de Boyd, il faut remplacer le miroir par un écran grand format relié à une caméra vidéo. Comme nous avons tous pu le constater dans un magasin d'appareils électroniques, lorsque nous nous déplaçons devant la caméra, notre image apparaît d'abord du côté le plus éloigné du récepteur TV. L'image se déplace ensuite dans notre direction, nous croise au milieu, et continue de se déplacer dans le sens opposé jusqu'à ce qu'elle quitte l'écran par le coté par lequel nous sommes entré en scène.
Une impulsion lumineuse à vitesse négative se comporte plus ou moins de la même façon. Lorsque l'impulsion pénètre dans le matériau, une deuxième impulsion apparaît à l'autre l'extrémité de la fibre et se déplace vers l'arrière. Depuis cette extrémité, de plus, une impulsion se propage également vers l'avant en dehors de la fibre. Ainsi, l'impulsion qui entre dans la fibre apparaît presque immédiatement à la sortie, et se déplace donc apparemment plus rapidement que la vitesse de la lumière normale. Pour utiliser l'analogie de l'écran de télévision, cela se passe comme si, en plus de voir notre image venir vers nous depuis le coté opposé de l'écran, nous voyions un clone de cette image sortir de l'écran de ce même coté, se déplaçant dans le même sens que nous, en nous devançant de quelques pas (voir la figure et l'animation ci-dessous).
http://www.rochester.edu/news/photos/backward_light.mpg
Accélérer l'impulsion lumineuse et la déplacer à reculons (Cliquer pour visualiser l'animation)
"Je reconnais que tout cela semble bien étrange", conclut Boyd, "et pourtant c'est ainsi que le monde fonctionne".
Source et illustrations: Université de Rochester / Robert Boyd
Ces dernières années, les scientifiques ont découvert des moyens d'accélérer ou de ralentir la lumière, mais des chercheurs de l'université de Rochester viennent de franchir un nouveau cap: faire se déplacer la lumière à reculons. Et comme un défi au sens commun, une impulsion lumineuse qui recule se déplace plus rapidement que la lumière.
Robert Boyd, professeur d'optique à l'université de Rochester, a récemment montré comment ralentir ou accélérer une impulsion lumineuse, en utilisant des techniques et des matériaux exotiques. Il vient désormais de démontrer qu'une vitesse négative, qui n'était auparavant qu'une singularité mathématique théorique, pouvait exister effectivement dans le monde réel.
Robert Boyd et son matériel expérimental
"C'est un phénomène très étrange", explique Boyd. "Nous envoyons une impulsion dans une fibre optique, et avant même que le pic de cette impulsion ne soit entré dans la fibre, il en sort par l'autre extrémité. Lors des expériences nous avons pu voir l'impulsion à l'intérieur de la fibre se déplacer réellement vers l'arrière, et faire la jonction entre les impulsions d'entrée et de sortie".
Cet étrange comportement semble violer le principe d'Einstein suivant lequel rien ne peut se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière. Cependant il n'en est rien. "Selon Einstein, aucune information ne peut se déplacer plus rapidement que la lumière, et dans ce cas-ci, comme avec toutes les expériences à lumière-rapide, aucune information ne se déplace réellement plus rapidement que la lumière", explique Boyd. "L'impulsion lumineuse a la forme d'une bosse avec un sommet et deux pentes abruptes de part et d'autre. La pente avant (le front montant) transporte toute l'information de l'impulsion et pénètre en premier dans la fibre. Avant même que le sommet (le pic) n'entre dans la fibre, le front montant commence déjà à en sortir. A partir de l'information contenue dans ce front, la fibre 'reconstruit' l'impulsion à l'extrémité de sortie, en envoie une version hors de la fibre, et une autre vers l'arrière en direction de l'entrée de la fibre". (Voir les animations ci-après).
Boyd travaille maintenant sur des expériences à base d'impulsion dépourvue de front montant. La théorie prédit dans ce cas que les phénomènes plus-rapides-que-la-lumière et de lumière-à-reculons doivent totalement disparaître.
Comment la lumière se déplace-t-elle à reculons ?
L'expérience de Boyd et de son équipe consiste à envoyer un flash laser dans une fibre optique enrichie à l'erbium. Lorsque l'impulsion quitte le laser, elle est scindée en deux faisceaux. Une impulsion entre dans la fibre et la seconde se déplace le long, sans interférence, et cette dernière est considérée comme l'impulsion de référence. Le pic de l'impulsion émerge alors à l'autre extrémité de la fibre avant que le pic initial n'y pénètre, et ceci bien avant que le pic de l'impulsion de référence ne parvienne au même endroit.
Mais pour démontrer que l'impulsion se déplace réellement vers l'arrière dans la fibre, les chercheurs ont dû découper la fibre tous les quelques centimètres et remesurer les pics d'impulsion lorsqu'ils quittent la section de fibre. En réarrangeant les données et en rejouant le film dans le bon sens, Boyd a pu décrire, pour la première fois, une impulsion de lumière se déplaçant vers l'arrière dans la fibre.
Pour comprendre comment la vitesse de la lumière peut être manipulée, on peut penser aux glaces déformantes grossissantes des fêtes foraines. Lorsqu'on passe devant le miroir, au début tout semble normal, mais dès que l'on passe devant la partie incurvée au centre, l'image réfléchie semble s'étirer, et son bord le plus éloigné semble sauter en avant du marcheur (la référence) pendant un moment. De la même manière, une impulsion lumineuse traversant certains matériaux se déplace à vitesse normale jusqu'à ce qu'elle entre en contact avec une substance particulière, où elle est alors étirée vers l'extrémité du matériau (voir la figure et l'animation ci-dessous).
http://www.rochester.edu/news/photos/fast_light.mpg
Accélérer l'impulsion lumineuse (Cliquer pour visualiser l'animation)
Réciproquement, si le miroir déformant est du type rétrécissant, l'image du promeneur semble soudain s'écraser, et son bord le plus avancé semble ralentir lorsque la partie incurvée est atteinte. De même, une pulsation lumineuse peut être amenée à se contracter et à ralentir à l'intérieur d'un matériau, et atteindre l'extrémité beaucoup plus tard que naturellement (voir la figure et l'animation ci-dessous).
http://www.rochester.edu/news/photos/slow_light.mpg
Ralentir l'impulsion lumineuse (Cliquer pour visualiser l'animation)
Pour visualiser le déplacement à reculons de la pulsation lumineuse de Boyd, il faut remplacer le miroir par un écran grand format relié à une caméra vidéo. Comme nous avons tous pu le constater dans un magasin d'appareils électroniques, lorsque nous nous déplaçons devant la caméra, notre image apparaît d'abord du côté le plus éloigné du récepteur TV. L'image se déplace ensuite dans notre direction, nous croise au milieu, et continue de se déplacer dans le sens opposé jusqu'à ce qu'elle quitte l'écran par le coté par lequel nous sommes entré en scène.
Une impulsion lumineuse à vitesse négative se comporte plus ou moins de la même façon. Lorsque l'impulsion pénètre dans le matériau, une deuxième impulsion apparaît à l'autre l'extrémité de la fibre et se déplace vers l'arrière. Depuis cette extrémité, de plus, une impulsion se propage également vers l'avant en dehors de la fibre. Ainsi, l'impulsion qui entre dans la fibre apparaît presque immédiatement à la sortie, et se déplace donc apparemment plus rapidement que la vitesse de la lumière normale. Pour utiliser l'analogie de l'écran de télévision, cela se passe comme si, en plus de voir notre image venir vers nous depuis le coté opposé de l'écran, nous voyions un clone de cette image sortir de l'écran de ce même coté, se déplaçant dans le même sens que nous, en nous devançant de quelques pas (voir la figure et l'animation ci-dessous).
http://www.rochester.edu/news/photos/backward_light.mpg
Accélérer l'impulsion lumineuse et la déplacer à reculons (Cliquer pour visualiser l'animation)
"Je reconnais que tout cela semble bien étrange", conclut Boyd, "et pourtant c'est ainsi que le monde fonctionne".
Source et illustrations: Université de Rochester / Robert Boyd
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