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Les pionniers

Imaginer que la lumière ait une vitesse, la mesurer …

1676, Paris

Ole Roëmer (1644 –1710) et Giovanni Domenico Cassini, (1625 -1612)

Observation des lunes de Jupiter. La lumière pourrait mettre du temps à traverser l’espace de Jupiter jusqu’à nous. Ceci permettrait d’expliquer les irrégularités apparentes du mouvement de Io, la première lune de Jupiter, autour de Jupiter.

Cassini et Roëmer

Cassini et Roëmer, sous Louis XIV : la lumière venant de Jupiter subit un retard

Observatoire de Paris, août 1676, sous Louis XIV.

Les observations des satellites de Jupiter permettent à G. D. Cassini et O. Roëmer d’établir que la lumière nous arrive avec un certain retard, dû à la distance à parcourir entre Jupiter et la Terre. Pour la première fois, un phénomène astronomique permet de déterminer la vitesse de la lumière.

Le programme de Cassini

Cassini s’est attelé à un programme d’observation systématique des mouvements des lunes de Jupiter, dans le but de constituer une table permettant à chacun de connaitre sa position sur Terre, comme le fait le GPS aujourd’hui. Mais les mouvements ne sont pas assez réguliers, ce qui met en échec le programme, ainsi que l’explique Cassini :

« Les observations des satellites de Jupiter décidées par l’Académie il y a cinq ans ont mis en évidence une nouvelle irrégularité du mouvement, la même pour tous les satellites, qui est si importante qu’elle peut conduire à une erreur allant jusqu’à un quart d’heure sur la précision des éclipses ; ainsi par exemple, la prochaine émersion du premier satellite le 16 novembre arrivera environ 10 minutes plus tard que prévu par le calcul, qui est fondé sur les émersions observées immédiatement après l’opposition de Jupiter et du Soleil durant les mois de juillet ou août. La cause de ces irrégularités est une variation du diamètre visible de Jupiter, ou bien, la distance entre Jupiter et la Terre, la lumière ne nous parvenant sur Terre qu’après un retard, comme si elle devait mettre dix ou onze minutes pour parcourir des distances égales au rayon de l’orbite terrestre. […] » [1]

Cassini commence par mentionner une possible variation du diamètre de Jupiter. Cette raison là nous parait fantaisiste, mais elle nous rappelle qu’à l’époque la nature des planètes était encore incertaine !

Cassini avance ensuite l’hypothèse que la lumière devrait mettre entre dix ou onze minutes pour effectuer un trajet égal au rayon de l’orbite terrestre autour du Soleil. Il a le bon ordre de grandeur : la durée exacte est de 8 minutes et 19 secondes. Il prédit aussi exactement le nombre de minutes de retard de la prochaine éclipse, au mois de novembre 1676, ce qui sera vérifié.

Une idée de Roëmer ?

Mais, alors qu’il présente ces idées en août, Cassini va ensuite les rejeter, car le retard de la lumière est incapable selon lui d’expliquer l’ensemble des phénomènes observés sur les autres satellites de Jupiter. Cassini joue de malchance car les éclipses des autres satellites sont causés par des phénomènes supplémentaires, auxquels il ne pense pas : les satellites s’attirent mutuellement, et leurs trajectoires sont donc ralenties ou accélérées par rapport à un mouvement qui serait bien régulier.

Roëmer au contraire va les présenter dès septembre 1876 et les défendre sans relâche. Par exemple le Journal des scavans, en décembre 1676, publie le compte rendu de l’intervention de Roëmer à l’académie. L’article commence ainsi :

« M. Römer de l’Académie Royale des Sciences s’est avisé d’un moyen tiré des observations du premier satellite de Jupiter, par lequel il démontre que pour une distance d’environ 3000 lieues, et telle qu’est à peu près la grandeur du diamètre de la Terre, la lumière n’a pas besoin d’une seconde de temps. […Mais il lui faut ] 22 minutes pour tout l’intervalle HE, qui est le double de celuy qu’il y a d’icy au Soleil » [2].

Aussi il est difficile de savoir réellement comment, dans le groupe de Cassini, est née cette idée du temps mis par la lumière pour venir de Jupiter à la Terre. Est-elle une idée de Cassini qu’il rejette ensuite, en laissant la paternité à celui qui veut la défendre ? Est-elle une idée qui a germé d’un travail collectif, ou est-elle entièrement attribuable à Roëmer ? Il est impossible de le savoir. Mais la contribution de Cassini, qui présente l’idée en 1676, ne peut sans doute pas être négligée. Roëmer en revanche a de toute façon le mérite de l’avoir défendue, y compris contre Cassini, et d’avoir eu raison.

[1] Texte dont l’original a été perdu, et dont une copie a été découvert récemment dans les archives de l’observatoire de Paris. Source : Cassini, Roëmer and the velocity of light, Laurence Bobis, and James Lequeux, Journal of Astronomical History and Héritage, 11(2), 97-105 (2008), Traduction Gilles Bogaert.

[2] Démonstration touchant le mouvement de la lumière trouvé par M Roëmer de l’Académie Royale des sciences, Journal des Sçavans, MDCLXXVI, p. 233-236 (Académie royale des sciences, 16 décembre 1676).

 

 

 

1690, La Haye

Christian Huygens (1629-1695)

Il est le premier à convertir le temps donné par Cassini et Roëmer, et publie la vitesse, en 1690, environ 230 000 kilomètres par seconde (en unités modernes).

 

 

 

1725, Oxford

Il observe que la position des étoiles n’est pas rigoureusement fixe. Elle dépend des vitesse de la Terre et de celle de la lumière.

James Bradley (1693-1762)

J. Bradley et le mouvement des étoiles

Oxford, 1727 : James Bradley observe que la position des étoiles n’est pas rigoureusement fixe. Elle dépend de la vitesse de la Terre et de celle de la lumière.

Une autre découverte astronomique va achever de convaincre les savants que la lumière a une vitesse.

C’est en mesurant la position d’une étoile très brillante visible au zénith de Londres, \gamma Dragonis, que Bradley, astronome anglais, découvre le phénomène connu aujourd’hui des astronomes sous le nom d’« aberration ».

Sa mesure, répétée au fil des mois, est assez précise pour observer que l’étoile possède un petit mouvement cyclique au cours de l’année d’environ un pour cent du diamètre de la pleine Lune (20 secondes d’arc de rayon). C’est en mars que le point le plus au Sud de ce cycle est atteint, et en septembre le plus au Nord. [1]

L’explication met en jeu les directions et vitesses de la Terre et de la lumière : de la même façon que la direction d’un drapeau sur un navire n’indique pas la même direction du vent qu’un drapeau sur la rive, la direction dans laquelle est vue l’étoile dépend de la direction de la lumière, et de la vitesse de la Terre et sa direction. Comme cette direction change au cours de l’année, la lumière de l’étoile semble venir de direction qui varie au cours de l’année.

Les observations de J. Bradley, qu’il publie en 1729, confirment à la fois que la Terre tourne, ce qui valide la théorie de Képler, et que la lumière a une vitesse :

« […] Le rapport entre la vitesse de la lumière et celle de l’œil (que nous pouvons dans notre cas identifier à la vitesse du mouvement annuel de la Terre sur son orbite) est de 10210, d’où il suit que la lumière bouge, ou se propage du Soleil à la Terre en 8’12’’.  » [2]

Le résultat est juste à quelques secondes près ! J. Bradley est l’un des plus grands astronomes du 18ème siècle. Il succédera à E. Halley dans le poste d’ « Astronomer Royal », c’est-à-dire de directeur de l’Observatoire de Greenwich.

[1] ce qui exclut que la parallaxe de l’étoile soit en cause.

[2] A Letter from the Reverend Mr. James Bradley, Savilian Professor of Astronomy at Oxford, and F.R.S. to Dr. Edmond Halley Astronom. Reg. &c. giving an Account of a new discovered Motion of fix’d Stars. Philosophical Transactions - Volume 35, page 663 (1729).Traduction Gilles Bogaert. http://commons.wikimedia.org/w/inde...

 

 

 

1849, Paris

Première mesure de c sur Terre. Fizeau réalise une expérience grandiose entre Suresnes et la Butte Montmartre.

Vitesse mesurée 315 300 kilomètres par seconde.

Hyppolite Fizeau (1819-1896)

La mesure de Fizeau : la première mesure sur Terre

Paris, 1849 : Hyppolite Fizeau, réalise une expérience grandiose : avec un faisceau lumineux qui passe au dessus de Paris entre Suresnes (le domicile de ses parents) et la Butte Montmartre, distante de 8633 m. La vitesse de la lumière est déduite de la distance parcourue, et du temps mis par la lumière à faire l’aller-retour. Ce temps est égal à celui mis par une petite roue à tourner, dont il suffit de mesurer la vitesse de rotation.

Fizeau met au point une expérience utilisant une roue dentée

Le faisceau lumineux, produit par un morceau de craie chauffé par un chalumeau en guise de lampe très puissante, est « haché » grâce à une roue comportant des dents (720 dents minutieusement découpées). Cette roue, en tournant devant le faisceau de lumière, arrête celui-ci, puis le laisse passer, puis l’arrête, puis le laisse passer, au rythme de la succession des creux et des dents.

A Montmartre un système optique renvoie la lumière vers cette même roue. La lumière revenant à Suresnes, y rencontre soit le même creux si la roue n’a pas eu le temps de tourner, soit une dent si la roue a eu le temps de tourner entre temps, soit le creux suivant, soit encore un autre si la roue tourne plus vite.

La valeur obtenue

La première réapparition de la lumière est observée quand la roue tourne à 12,6 tours par seconde. Fizeau annonce à l’Académie le 23 Juillet 1849 que la vitesse de la lumière est de 70 948 lieues par seconde, soit 315 300 kilomètres par seconde.

Une révélation pour le monde

Que l’on puisse sur Terre mesurer c est une révélation pour les scientifiques du monde entier. Foucault écrit dans le Journal des Débats : « La publication de ce travail est un grand événement dans la science, et le moment de son apparition figurera dans l’histoire parmi les dates les plus mémorables …  » [1]. Cette mesure valut la légion d’honneur à Fizeau et à Froment [2] qui avait construit les instruments. Et encore plusieurs années plus tard, en 1856, ils reçurent le prix triennal, juste créé par Napoléon III pour récompenser « la découverte [ … ] qui honore le mieux ou sert le mieux le pays  » [3]

[1] Le journal des débats (1849) , cité par Tobin in « Léon Foucault : le miroir et le pendule », William Tobin, adapté par James Lequeux, EDP Sciences (2002)

[2] Gustave Froment était très habile de ses mains. Il avait étudié à l’Ecole polytechnique et s’était établi comme constructeur d’instruments scientifiques. Il eut l’occasion d’en construire un grand nombre pour Fizeau et Foucault, mécaniques ou électriques. Et on lui doit en particulier l’invention la sonnette électrique.

[3] Cité par Tobin, in « Léon Foucault : le miroir et le pendule », William Tobin, adapté par James Lequeux, EDP Sciences (2002)

 

 

 

1862, Paris

Foucault réalise la première mesure précise de c. Son expérience tient dans une salle.

Vitesse mesurée : 298 500 kilomètres par seconde.

Léon Foucault (1819 -1868)

La mesure améliorée par Foucault

Paris 1862 : Léon Foucault est pressé de refaire une mesure par le directeur de l’Observatoire de Paris, que la vitesse de la lumière intéresse au plus haut point car elle permet de fixer la dimension du système solaire. Cette mesure doit être précise.

Le Verrier souhaite une meilleure précision sur la valeur de la vitesse (qu’il trouve trop élevée) car elle permet de résoudre une question fondamentale : la dimension du système solaire. Cette dimension est obtenue simplement, grâce au temps mis par la lumière à effectuer un diamètre de l’orbite terrestre, à l’aide de la valeur mesurée pour cette vitesse par Fizeau.

Le Verrier, lui, obtient cette dimension par une autre méthode, grâce à des calculs sur l’ensemble des planètes. Les deux méthodes donnent des résultats en désaccord : le calcul de Le Verrier exige que la vitesse de la lumière soit plus faible que celle trouvée par Fizeau.

Aussi, en 1860, Le Verrier pousse Foucault à effectuer une nouvelle mesure.

Foucault obtient une valeur plus précise

Foucault reprend une idée qu’il avait utilisée en 1850 pour mesurer la différence de vitesse de la lumière dans l’eau et l’air.

Il fait tourner un miroir qui, le temps que la lumière parte et revienne sur ce miroir, a eu le temps de tourner suffisamment pour que la lumière ne soit pas renvoyée exactement vers la lampe dont elle est partie, mais à coté. On mesure ce petit écart, et il suffit ensuite de connaitre la vitesse de rotation du miroir. Dans cette expérience la vitesse de rotation était connue à la hauteur du son, par les physiciens qui avaient l’oreille absolue !

Mais pour cette fois il faut une mesure très précise : il introduit une nouvelle méthode de mesure de la vitesse par un stroboscope. Il est important aussi que le miroir tourne de façon très régulière. Le génie de Foucault a été d’utiliser un entrainement par un fluide (un jet de vapeur) plutôt qu’un engrenage transmettant au miroir toutes les petites irrégularités du mécanisme ou du moteur. Foucault améliore son ancien dispositif : il remplace la vapeur par de l’air émis par des soufflets. L’expérience, de taille modeste, a lieu dans une salle de l’Observatoire de Paris.

La gloire de Foucault et Le Verrier

Fin 1862, il publie la valeur de la vitesse de la lumière : 298 500 kilomètres par seconde. Le système solaire se trouve rétréci d’un trentième, ainsi que le souhaitait Le Verrier.

Mais Foucault mettait lui même en doute la précision de sa mesure, qui aurait eu besoin, d’après plusieurs personnes, dont Fizeau, de vérifications diverses. Et la pression sur Foucault par son directeur était forte. Foucault aurait-il eu la totale liberté de publier un chiffre défavorable à Le Verrier ? [1]

[1] Le journal des débats (1849) , cité par Tobin in « Léon Foucault : le miroir et le pendule », William Tobin, adapté par James Lequeux, EDP Sciences (2002)

 

 

 

1882, Washington DC (USA)

Simon Newcomb (1835-1909)

Newcomb obtient une précision 10 fois meilleure que Cornu, en utilisant la méthode du miroir tournant de Foucault

Vitesse mesurée : 299 860 kilomètre par seconde.

 

 

 

1883, Washington DC (USA)

Albert Michelson (1852 - 1931)

Vitesse mesurée : en accord avec Newcomb, en désaccord avec Cornu, 299 853 kilomètre par seconde à 60 km/s près.

En 1927 après plusieurs années de mise au point, il aura le dernier mot, avec une précision de 4 km/s, en utilisant une méthode inspirée à la fois de celles de Foucault et de Fizeau.

Newcomb et Michelson

Les records de précision de Newcomb et Michelson

Washington DC, 1877 : en Amérique, Albert Michelson et, indépendamment, Simon Newcomb, entreprennent cette mesure, tous deux dans la région de Washington DC, et battent tous les records de précision, en utilisant la méthode de Foucault.

Michelson améliore la méthode de Foucault

En 1877, Albert Michelson, alors jeune officier dans la Navy - il a 25 ans - raffine l’expérience de Foucault à l’aide d’un appareillage rudimentaire et obtient, en 1879, 299 940 km/s [1]. C’est surtout la précision qui impressionne, de 50 km/s, c’est-à-dire dire six fois meilleure que celle de Cornu.

Michelson a compris qu’il peut améliorer la mesure de Foucault en augmentant l’angle de déflection de la lumière par le miroir tournant. Il y parvient facilement ainsi qu’il l’écrit dans son mémoire :

« [Entre novembre, 1877] et mars de l’année suivante, je réalisais nombre d’expériences préliminaires dans le but de me familiariser avec les systèmes optiques. La première expérience essayée avec le miroir tournant produisit une déflection considérablement plus grande que celle obtenue par Foucault. [..] Pour une dépense de 10 $, un miroir tournant fut confectionné pouvant exécuter 128 tours par seconde. L’appareil fut installé en mi 1878 au laboratoire. La distance utilisée était de 500 pieds et la déflection environ vingt fois celle obtenue par Foucault. Ces expériences, faites avec un appareillage très rudimentaire et avec de grandes difficultés, donnèrent pour la vitesse de la lumière […une moyenne de] 300 140 kilomètres par seconde. Durant le mois de juillet suivant, 2 000 $ furent mis à ma disposition par une personne privée, pour réaliser ces expériences à plus grande échelle …  »

Le record de Newcomb

Puis il rejoint alors Newcomb à Washington DC, qui travaille depuis plusieurs années à cette mesure. Simon Newcomb trouve 299,860 ± 30 km/s. La précision obtenue est un record, elle est 10 fois meilleure que celle de Cornu !

Michelson va continuer à améliorer sa méthode et, en 1883, il publie la valeur de 299,853 ± 60 km/s, en complet accord avec Newcomb, en désaccord avec Cornu.

En Europe, si la précision impressionne, la méthode utilisée semble disqualifier la mesure, car elle utilise la réflexion de la lumière sur un miroir tournant : comment la vitesse du miroir s’ajoute-t-elle ou se retranche-t-elle de celle de la lumière ? Voici une question embarrassante à cette époque où l’on n’a pas encore compris tout à fait que la vitesse de la lumière est une constante absolue. Ce mouvement du miroir pose de délicats problèmes comme le dit Cornu en 1900 [2] alors que la méthode de Fizeau semble débarrassée de ce genre de complications.

[1] Experimental Determination of the Velocity of Light, Made at the U.S. Naval Academy, Annapolis, By Albert A. Michelson, Master U.S. Navy, (1880). Published March 28, 2004 [EBook #11753] http://www.gutenberg.org/files/1175...,

[2] Sur la Vitesse de la lumière, A. Cornu, Congrès International de Physique, Paris (1900). Il annonce que la mesures est en train d’être refaite à Nice.

 

 

 

En 1898, Henri Perrotin, à l’Observatoire de Nice, décide de prendre part au débat...

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