Détermination de la vitesse de la lumière : faits & historique

Détermination de la vitesse de la lumière
Détermination de la vitesse de la lumière

En 1676, l’astronome danois Ole Roemer (1644-1710) devient la première personne à mesurer la vitesse de la lumière. Jusque-là, les scientifiques supposaient que la vitesse de la lumière était soit trop rapide pour être mesurée, soit infinie. Le point de vue dominant, vigoureusement défendu par le philosophe français Descartes, favorisait une vitesse infinie.

La détermination de la vitesse de la lumière : retour sur une découverte scientifique majeure

Roemer, travaillant à l’Observatoire de Paris, ne cherchait pas à déterminer  la vitesse de la lumière quand il l’a trouvée. Au lieu de cela, il compilait des observations détaillées de l’orbite de Io, le plus intime des quatre grands satellites de Jupiter découverts par Galilée en 1610. En chronométrant les éclipses de Io par Jupiter, Roemer espérait déterminer une valeur plus précise pour la période orbitale du satellite. De telles observations avaient une importance pratique au XVIIe siècle. Galilée lui-même avait suggéré que les tables du mouvement orbital des satellites de Jupiter fourniraient une sorte d' »horloge » dans le ciel. Les navigateurs et cartographes du monde entier pourraient utiliser cette horloge pour lire le temps absolu (le temps standard à un endroit de longitude connue, comme l’Observatoire de Paris). Puis, en déterminant l’heure solaire locale, ils pouvaient calculer leur longitude à partir de la différence de temps. Cette méthode de recherche de la longitude s’est finalement révélée peu pratique et a été abandonnée après le développement de garde-temps de mer précis. Mais les données de l’éclipse de Io ont résolu de façon inattendue un autre problème scientifique important : la détermination de la vitesse de la lumière.

La période orbitale de Io est maintenant connue pour être de 1,769 jours terrestres. Le satellite est éclipsé par Jupiter une fois par orbite, comme on le voit de la Terre. En chronométrant ces éclipses sur plusieurs années, Roemer a remarqué quelque chose de particulier. L’intervalle de temps entre les éclipses successives devenait de plus en plus court à mesure que la Terre dans son orbite se rapprochait de Jupiter et devenait de plus en plus long à mesure que la Terre s’éloignait de Jupiter. Ces différences se sont accumulées. À partir de ses données, Roemer a estimé que lorsque la Terre était la plus proche de Jupiter (à E1), les éclipses de Io se produiraient environ onze minutes plus tôt que prévu, d’après la période orbitale moyenne sur plusieurs années. Et 6,5 mois plus tard, lorsque la Terre était la plus éloignée de Jupiter (à E2), les éclipses se produiraient environ onze minutes plus tard que prévu.

Roemer savait que la véritable période orbitale de Io n’avait rien à voir avec les positions relatives de la Terre et de Jupiter. Dans une perspicacité brillante, il s’est rendu compte que la différence de temps doit être due à la vitesse finie de la lumière. C’est-à-dire que la lumière du système de Jupiter doit voyager plus loin pour atteindre la Terre lorsque les deux planètes se trouvent sur des côtés opposés du Soleil que lorsqu’elles sont plus proches l’une de l’autre. Romer a estimé qu’il fallait vingt-deux minutes à la lumière pour traverser le diamètre de l’orbite terrestre. La détermination de la vitesse de la lumière dans le vide pourrait alors être trouvée en divisant le diamètre de l’orbite de la Terre par la différence de temps.

Le scientifique néerlandais Christiaan Huygens, qui a été le premier à faire les calculs arithmétiques, a trouvé une valeur pour la vitesse de la lumière équivalente à 131 000 miles par seconde. La valeur correcte est de 186 000 miles par seconde. La différence était due à des erreurs dans l’estimation de Roemer pour le délai maximal (la valeur correcte est de 16,7, et non de 22 minutes), ainsi qu’à une connaissance imprécise du diamètre orbital de la Terre. Plus important que la réponse exacte, cependant, était le fait que les données de Roemer ont fourni la première estimation quantitative de détermination de la vitesse de la lumière, et qu’elle était dans la bonne approximation.

Roemer est retourné au Danemark en 1681, où il a poursuivi une brillante carrière scientifique et gouvernementale. Il a conçu et construit les instruments astronomiques les plus précis de son temps et a fait des observations approfondies. Il a ensuite été maire et préfet de police de Copenhague et, en fin de compte, chef du Conseil d’État. On se souvient de Roemer aujourd’hui non pas pour sa haute fonction politique, mais pour avoir été la première personne à mesurer la vitesse de la lumière.

Les calculs de Roemer étaient un peu en dehors, et allaient être affinés. Son travail suggérait que la lumière parcourt environ 220 000 kilomètres par seconde, et son estimation était donc inférieure d’environ 26 % à la vitesse réelle de déplacement.

Mesures historiques de la vitesse de la lumière

Avant le XVIIe siècle, les scientifiques croyaient que la « vitesse de la lumière » n’existait pas. Ils pensaient que la lumière pouvait parcourir n’importe quelle distance en un rien de temps. Plus tard, plusieurs tentatives ont été faites pour mesurer et effectuer la détermination de cette vitesse :

  1. 1638 Galileo : au moins 10 fois plus rapide que le son
  2. 1675 Ole Roemer : 200 000 Km/sec.
  3. 1728 James Bradley : 301 000 Km/s
  4. 1849 Hippolyte Louis Fizeau : 313 300 Km/s
  5. 1862 Léon Foucault 299 796 Km/s
  6. Aujourd’hui : 299792.458 km/s
Déterminer la vitesse de la lumière précisément ne fut pas une mince affaire, et nombreux scientifiques se sont penchés sur la question avant le consensus actuel
Déterminer la vitesse de la lumière précisément ne fut pas une mince affaire, et nombreux scientifiques se sont penchés sur la question avant le consensus actuel

1638 Galileo : au moins 10 fois plus rapide que le son.

En 1638, Galilée est souvent crédité d’avoir été le premier scientifique à essayer de déterminer la vitesse de la lumière. Sa méthode était assez simple. Lui et un assistant avaient chacun des lampes qui pouvaient être couvertes et découvertes à volonté. Galilée découvrirait sa lampe, et dès que son assistant voyait la lumière, il découvrirait la sienne. En mesurant le temps écoulé jusqu’à ce que Galilée ait vu la lumière de son assistant et sachant à quelle distance se trouvaient les lampes, Galilée pense qu’il devrait être capable de déterminer la vitesse de la lumière. Sa conclusion : « Si ce n’est pas instantané, c’est extraordinairement rapide ». Il a très probablement utilisé une horloge à eau, où la quantité d’eau qui se vide d’un récipient représente le temps qui s’est écoulé. Galilée vient de déduire que la lumière voyage au moins dix fois plus vite que le son.

1675 Ole Roemer : 200 000 Km/sec.

En 1675, l’astronome danois Ole Roemer remarqua, en observant les lunes de Jupiter, que le temps des éclipses des lunes de Jupiter semblait dépendre des positions relatives de Jupiter et de la Terre. Si la Terre était proche de Jupiter, les orbites de ses lunes semblaient s’accélérer. Si la Terre était loin de Jupiter, ils semblaient ralentir. Estimant que les vitesses orbitales des lunes ne devraient pas être affectées par leur séparation, il en déduit que le changement apparent doit être dû au temps supplémentaire pour que la lumière se déplace lorsque la Terre est plus éloignée de Jupiter. En utilisant la valeur communément acceptée pour le diamètre de l’orbite de la Terre, il en est venu à la conclusion que la lumière devait avoir voyagé à 200 000 Km/s.

1728 James Bradley : 301 000 Km/s

En 1728, James Bradley, physicien anglais, estimait la détermination de la vitesse de la lumière dans le vide à 301 000 km/s environ. Il a utilisé l’aberration stellaire pour calculer la vitesse de la lumière. L’aberration stellaire fait que la position apparente des étoiles change en raison du mouvement de la Terre autour du soleil. L’aberration stellaire est approximativement le rapport de la vitesse à laquelle la terre orbite autour du soleil à la vitesse de la lumière. Il connaissait la vitesse de la Terre autour du soleil et il pouvait également mesurer cet angle d’aberration stellaire. Ces deux faits lui ont permis de calculer la vitesse de la lumière dans le vide.

1849 Hippolyte Louis Fizeau : 313 300 Km/s

Un physicien français, Fizeau, a fait briller une lumière entre les dents d’une roue dentée à rotation rapide. Un miroir situé à plus de 5 milles de distance reflétait le faisceau à travers le même espace entre les dents de la roue. Il y avait plus d’une centaine de dents dans la roue. La roue tournait des centaines de fois par seconde ; une fraction de seconde était donc facile à mesurer. En faisant varier la vitesse de la roue, il était possible de déterminer à quelle vitesse la roue tournait trop vite pour que la lumière passe à travers l’espace entre les dents, jusqu’au miroir éloigné, puis de nouveau à travers le même espace. Il savait la distance parcourue par la lumière et le temps qu’il a fallu. En divisant cette distance par le temps, il a obtenu la vitesse de la lumière. Fizeau a mesuré la vitesse de la lumière à 313 300 Km/s.

1862 Léon Foucault 299 796 Km/s

Un autre physicien français, Léon Foucault, a utilisé une méthode similaire à celle de Fizeau. Il a fait briller une lumière vers un miroir tournant, puis elle a rebondi vers un miroir fixe éloigné et ensuite vers le premier miroir tournant. Mais parce que le premier miroir était en rotation, la lumière du miroir tournant a finalement rebondi sous un angle légèrement différent de l’angle avec lequel il avait initialement frappé le miroir. En mesurant cet angle, il était possible de mesurer et réaliser une détermination de la vitesse de la lumière. Foucault a continuellement augmenté la précision de cette méthode au fil des ans. Sa mesure finale en 1862 a déterminé que la lumière voyageait à 299 796 Km/s.

Aujourd’hui : 299792.458 km/s

  • US National Burau of Standards 299792.4574 ± 0,0011 km/sec.
  • The British National Physical Laboratory 299792.4590 ± 0,0008 km/sec.

299 792,458 km/s est la valeur adoptée pour la vitesse de la lumière lors de la Conférence des poids et mesures de Generla, le 21 octobre 1983.

Pourquoi la détermination de la vitesse de la lumière est si importante en astronomie (mais pas seulement!) ?

La vitesse de la lumière est une constante physique de notre univers.  Ce n’est ni important ni insignifiant – c’est tout simplement ce que c’est.  Cependant, connaître la valeur numérique de la vitesse de la lumière est essentiel pour comprendre et prédire le comportement de notre univers dans de nombreux domaines de la physique tels que la propagation des ondes électromagnétiques, par exemple, l’optique, les ondes radio, et bien sûr E=MC^2 d’Albert Einstein (Relativité).

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