Documentaire

Histoire des mesures de la vitesse de la lumière

Réalisation : 1 janvier 2006 Mise en ligne : 1 janvier 2006
  • document 1 document 2 document 3
  • niveau 1 niveau 2 niveau 3
  • audio 1 audio 2 audio 3
Descriptif

De ce moment où l'on a commencé à mettre en doute l'instantanéité de le lumière à celui où sa vitesse est devenue une constante scientifique, il se sera écoulé… 10 siècles. C'est cette longue histoire, pleine de rebondissements qu'entreprend de raconter, ici, Jamy, l'animateur du magazine "C'est pas sorcier". Conteur inspiré, drôle et volubile, il y apparaît entouré des personnages historiques en dessin animé au trait. Ses démonstrations étant assurées par des modélisations 3D.Dans cette quête, on croise d'abord Copernic, Galilée et Kepler. En effet, leurs recherches et découvertes astronomiques ont joué un rôle déterminant dans les premières tentatives de mesure de la vitesse de la lumière, aux XVII et XVIIIe siècle.( programme 1)Puis, au milieu du XIXe, s'éloignant des méthodes astronomiques, d'ingénieux savants vont mettre en place les premières mesures la vitesse de la lumière sur terre. Les Français Hippolyte Fizeau et Léon Foucault, des autodidactes, fabriquent des machines d'une extraordinaire inventivité, à roue dentée ou à miroir tournant, que le programme fait revivre. (programmes 2 et 3) Le français Alfred Cornu puis l'américain Albert Michelson perfectionnent, enrichissent ces machines les rendant de plus en plus précises. Avec eux la mesure de la vitesse de la lumière acquiert une autre dimension, c'est le début d'une course effrénée à la précision de la mesure, doublé d'une course au prestige entre nations. (programme 4) Arrive le XXe siècle et avec lui la compréhension de la vraie nature corpusculo-ondulatoire de la lumière. Changement d'objet : mesurer la vitesse de la lumière se réduit tout simplement à mesurer une longueur d'onde et à la multiplier par sa fréquence.La fin de l'histoire est inattendue avec l'arrivée d'un nouvel intrus : le mètre. En effet, nos savants avaient mesuré la vitesse de la lumière en utilisant comme unité "le mètre par seconde". Mais, contrairement à la seconde et à son horloge atomique, le mètre apparaît à la science de la fin du XXe siècle trop peu précis et surtout trop peu universel. La parade est trouvée : Fixons désormais la vitesse de la lumière et définissons le mètre à partir de cette vitesse. Puisque la lumière se déplace à 299.792.458 m/s, un mètre sera désormais la longueur parcourue par la lumière en 1/299.792.458e de seconde.Toutes sortes d'applications sont directement dérivées de cette course à la vitesse de la lumière, des applications d'utilisation quotidienne, comme le GPS dont le fonctionnent est expliqué, pour finir, ici(programme 5)

Chapitres
Intervenant
Thème
Notice
Sous-titrage
FR
Langue :
Français
Crédits
Georges LE PIOUFFLE (Réalisation), Ministère de l'Education Nationale et de la Recherche (Production), RIFF INTERNATIONAL PRODUCTION (Production), Jamy Gourmaud (Intervenant), Manu Pernoud (Intervenant), Christine Trabado (Intervenant)
Conditions d'utilisation
Droit commun de la propriété intellectuelle
Citer cette ressource :
Jamy Gourmaud, Manu Pernoud, Christine Trabado. CERIMES. (2006, 1 janvier). Histoire des mesures de la vitesse de la lumière. [Vidéo]. Canal-U. https://www.canal-u.tv/56665. (Consultée le 27 janvier 2023)
Contacter
Documentation

Transcription automatique corrigée.

Dans le film que vous allez voir des images de synthèse vont être utilisées pour représenter le trajet de la lumière. Or si la lumière se voit de face lorsque la source lumineuse est devant vous, elle ne se voit pas de profil. Alors nous avons choisi de représenter la lumière de profil de cette façon. Et comme la lumière n'est pas instantanée mais qu'elle se déplace, nous la ferons avancer de cette manière. Bien sûr gardez en tête qu'ici la vitesse est considérablement ralentie. Bon film.

300 000 kilomètres par seconde c'est la vitesse de la lumière, plus exactement 299 792 kilomètres et 458 mètres par seconde. Autrement dit en une seconde la lumière parcourt 299 792 kilomètres et 458 mètres. Il lui faut seulement 8 minutes et 13 secondes pour parvenir du soleil jusqu'à nous. Un peu plus de 4 ans depuis Proxima du Centaure, l'étoile la plus proche du système solaire, et à peine un milliardième de seconde pour aller de l'écran que vous regardez, jusqu'à vos yeux. 300 000 kilomètres par seconde, ça va très vite. Tellement vite que durant des milliers d'années, les hommes ont cru que la lumière était instantanée. Comment vous dire, pour eux, elle ne se déplaçait pas. Il y en avait où il n'y en avait pas.

Un des premiers à avoir douter de l'instantanéité de la lumière c'est Alhazen, un savant arabe du 10ème siècle. Alhazen est un précurseur, il est l'auteur du premier traité d'optique, un ouvrage dans lequel il décrit le phénomène de la réfraction, et l'explique. Vous savez, quand on plonge un bâton dans l'eau par exemple, et bien on a l'impression qu'il est cassé. Alhazen a une intuition. Il pense que la lumière à une vitesse de propagation. Hélas il ne pourra rien prouver et sa géniale intuition ne restera qu'une intuition. En fait c'est Galilée au 17ème siècle qui le premier va tenter de mesurer la vitesse de propagation de la lumière. Galilée, vous connaissez, c'est ce savant italien qui s'est illustré du haut de la tour de Pise en faisant des expériences sur la chute des corps. Galilée pense donc que la lumière à une vitesse finie, et en savant scrupuleux, il est bien décidé à le prouver. Pour cela, il doit mesurer le temps que met la lumière pour parcourir une distance bien précise. Car c'est ça la vitesse, une distance sur une durée. Quand un véhicule roule à 50 kilomètres par heure par exemple, eh bien cela signifie qu'à cette vitesse, il parcourt 50 kilomètres en une heure. Revenons à Galilée, il est également persuadé que la lumière se propage très vite. Comment faire alors dans ces conditions, pour la suivre sur un trajet déterminé avec un point de départ et un point d'arrivée, et mesurer le temps qu'elle met pour effectuer ce trajet. Une chose est sûre, sa mesure ne peut se faire que sur une grande distance. Galilée met en place l'expérience suivante : 2 observateurs se positionnent à environ mille huit cents mètres l'un de l'autre, chacun au sommet d'une colline. Il fait nuit. Tous les 2 sont équipés d'une lanterne dont ils ont masqué la lumière. L'idée de Galilée est simple. Le premier démasque sa lanterne et il déclenche simultanément une clepsydre, l'ancêtre de l'horloge. Sitôt qu'il aperçoit la lueur, le second démasque la sienne, et dès que le premier aperçoit cet éclat, il arrête la clepsydre. Plutôt bien vu, si j'ose dire. Ce dispositif doit en effet permettre de mesurer le temps que met la lumière pour faire l'aller retour entre les 2 observateurs. Hélas les 2 hommes ont beau faire et refaire l'expérience, la lumière semble instantanée. Et pour cause il ne lui faut que quelques millionièmes de secondes pour parcourir trois mille six cents mètres. Pourtant, Galilée ne va pas en déduire que la lumière est instantanée. Non, pour lui, sa vitesse est trop élevée pour pouvoir la mesurer. En fait, il va falloir patienter jusqu'au 18ème siècle pour prouver que la lumière se déplace à une vitesse vertigineuse. Le temps que des savants acquierent les connaissances suffisantes et mettent au point le matériel nécessaire. Le premier, qui sans savoir va apporter sa contribution à cette quête, s'appelle Nicolas Copernic. Son nom vous dit sûrement quelque chose. C'est un astronome prestigieux. Avant lui, on pensait que la terre était au centre de l'univers, c'était comme ça depuis les grecs. Au 16ème siècle, Nicolas Copernic va remettre les choses en place. Enfin les planètes. L'astronome va montrer que le soleil est au centre du système, et que toutes les planètes tournent autour. C'est d'ailleurs en défendant les thèses de Copernic que Galilée aura des problèmes avec l'Eglise.
Le 2ème savant c'est Galilée. En 1609 il met au point une lunette qui permet d'observer les planètes du système solaire. Grâce à cet instrument, il découvre que 4 lunes gravitent autour de Jupiter.
Le 3ème enfin s'appelle  Johannes Kepler. Il observe le ballet des planètes autour du soleil et en comprend la mécanique. Grâce à ses travaux rassemblés dans les fameuses lois de Kepler, les astronomes peuvent dès lors savoir à tout moment où se trouvent les planètes les unes par rapport aux autres. Voilà la boîte à outils est prête. La lumière va pouvoir livrer une partie de son mystère. Imaginez, nous sommes en 1671 sous le règne de Louis XIV. L'observatoire de Paris vient juste d'être achevé. Il est dirigé par l'illustrissimo Jean-Dominique Cassini. A l'époque c'est une personnalité très importante et très respectée en raison de ses tables, les fameuses table de Cassini. Rien à voir avec la gastronomie. Jean-Dominique Cassini a la tête dans les étoiles.
Grâce aux lois de Kepler, il a calculé et déterminé les jours et les horaires des éclipses de Io, un satellite de Jupiter. Autrement dit il sait quand précisément cette lune disparaît dans le cône d'ombre de Jupiter, c'est ce que l'on appelle l'immersion, et quand elle en ressort, c'est l'émersion. Ces données sont rassemblées sur des tableaux, un peu comme les horaires de marées aujourd'hui, les fameuses tables de Cassini.
A l'époque, l'idée c'est d'aider les marins à se positionner sur la mer - ils n'ont pas le gps - mais en comparant l'heure à laquelle ils voient apparaître ou disparaître le satellite de Jupiter et l'horaire qui figure sur les tables au jour J, horaire qui correspond à celui de Paris, et bien ils peuvent en principe déterminer la longitude à laquelle ils se trouvent. Cependant Cassini est perturbé, ça fait pas mal de temps qu'il observe Io, et il ne comprend pas. Parfois Io respecte ses prévisions, et depuis la terre apparaît ou disparaît pile à l'heure, et puis de façon tout à fait incompréhensible, quelques mois plus tard, Io apparaît ou disparaît avec quelques minutes de retard ou d'avance sur ses prévisions. Que se passe-t-il ?  Olaus Roemer, astronome danois invité de Cassini à l'Observatoire de Paris va proposer une solution à ce problème. Les planètes, on l'a vu, tournent autour du soleil dans un étrange ballet. Imaginons : la Terre se trouve ici, Jupiter là. Io entre dans le cône d'ombre puis en ressort à 22 heures, comme prévu par les tables. Quelques mois plus tard, la Terre se trouve maintenant ici, et Jupiter là. La distance qui sépare les 2 planètes a augmenté de 75 millions de kilomètres. Io entre dans l'ombre, l'observateur qui se trouve sur Terre la voit ressortir, mais avec 4 minutes de retard sur l'horaire prévu. Pourquoi ? Eh bien parce que la distance entre Io et la Terre a augmenté, et que les 4 minutes supplémentaires correspondent au temps nécessaire à la lumière pour qu'elle parcoure cette distance supplémentaire. Roemer fait d'une pierre 2 coups, il explique les retards de Io et en déduit que la lumière à une vitesse finie. Après une telle découverte, on pourrait imaginer que la communauté scientifique explosa de joie... et bien pas vraiment. Cassini va très vite remettre en cause les résultats de Roemer. En effet, les éclipses des autres satellites de Jupiter ne sont pas sujettes aux mêmes retards que celle de Io. L'argument c'est vrai est de poids. En fait on sait aujourd'hui que ces écarts sont dus à des mouvements plus complexes des autres satellites, et qu'il était difficile de les déceler à l'époque. Finalement, c'est un anglais, James Bradley qui va clore le débat. 50 ans plus tard, il confirme que Roemer avait raison et que la lumière n'est pas instantanée, mais qu'elle a une vitesse, une vitesse finie qu'il estime proche de 300 000 kilomètres par seconde. Désormais, la course à la mesure de la vitesse de la lumière peut démarrer. Mais ça c'est une autre histoire.

Dans le film que vous allez voir des images de synthèse vont être utilisées pour représenter le trajet de la lumière. Or si la lumière se voit de face, lorsque la source lumineuse est devant vous, elle ne se voit pas de profil. Alors nous avons choisi de représenter la lumière de profil de cette façon, et comme la lumière n'est pas instantanée, mais qu'elle se déplace, nous la ferons avancer de cette manière. Bien sûr gardez en tête qu'ici la vitesse est considérablement ralentie. Bon film.

Au milieu du 19ème siècle, la lumière a livré une partie de son mystère. Après des lustres d'incertitudes, la communauté scientifique sait désormais que la lumière se propage à une vitesse finie. C'est un danois, Olaus Roemer, qui l'a affirmé en 1676. Au début, c'est vrai, l'idée a du mal à passer, jusqu'au moment où 50 ans plus tard, un astronome anglais James Bradley en a apporté la preuve. Il a même estimé la vitesse de la lumière à environ 300 000 kilomètres par seconde. Seulement voilà, en ce milieu de 19ème siècle, la communauté scientifique sait que le résultat de Bradley est approximatif. En effet, Bradley a fait son estimation à partir de la distance qui sépare la Terre du Soleil. Or à cette époque, cette distance est encore incertaine. C'est d'ailleurs l'une des grandes questions qui agitent l'Observatoire de Paris. Une question à laquelle les scientifiques répondraient facilement s'ils connaissaient précisément la vitesse de la lumière. En effet pour obtenir une distance, il suffit de multiplier le temps par la vitesse. Or en ce milieu de 19ème siècle, seul le temps que met la lumière pour parvenir du soleil jusqu'à la Terre est connu. 8 minutes et 12 seconde soit 492 secondes. Autrement dit, vous l'avez compris, d'un côté il y a ceux qui avaient besoin de la distance terre-soleil pour mesurer la vitesse de la lumière, et de l'autre, ceux qui avaient besoin de la vitesse de la lumière pour mesurer la distance terre-soleil. Bref, c'est le chat qui se mord queue. Alors comment s'en sortir ? A l'époque, l'Observatoire de Paris est dirigé par François Arago. Je le précise car c'est un éminent scientifique dont vous entendrez sûrement parler un jour ou l'autre. C'est une sorte de touche-à-tout de génie, et qui en plus aime l'aventure. Il est aussi à l'aise la physique, l'astronomie, qu'à dos de chameau. Il est persuadé qu'il faut commencer par trouver la vitesse de la lumière. Seulement cette fois, les éléments semblent résister. Comment déterminer cette vitesse, ce sésame qui ouvrirait de nouvelles portes vers la compréhension de l'univers ? Continuer à observer le ballet des astres comme le faisaient Roemer et Bradley, surement pas. Pour obtenir une réponse il faut trouver un moyen de mesurer cette vitesse sur Terre. Autrement dit, en laboratoire. Heureusement Arago n'est pas seul.  Il encadre de jeunes prodiges impatients d'en découdre avec ces grandes questions. Parmi eux 2 jeunes physiciens : Hippolyte Fizeau et Léon Foucault. Ce qui est étonnant, c'est que ce sont des autodidactes. Attention ce ne sont pas non plus des premiers venus. Tous les 2 ont quand même fait des études de médecine, mais ils ont abandonné cette discipline pour se consacrer à la physique. Ensemble, ils ont d'ailleurs obtenu la première image du soleil. La photographie venait tout juste d'être inventée. Ils planchent donc. Mais cette fois, chacun de leur côté. Peut être d'ailleurs, les 2 hommes sont-ils un peu en concurrence, mais qu'importe. Ils cherchent. Aidé par Gustave Froment, un habile constructeur mécanicien, Hyppolite Fizeau met au point une machine capable de mesurer la vitesse de la lumière sur Terre. La voilà la machine de Fizeau, pas une reproduction, la vraie machine, celle utilisée par Fizeau lui-même pour réaliser ces mesures. Alors évidemment, on se demande comment Fizeau a bien a pu mesurer la vitesse de la lumière avec ça. Pas de panique, vous allez voir, c'est assez simple. D'abord Hippolyte Fizeau s'est inspiré de ses prédécesseurs, Galilée notamment et son expérience nocturne. Vous savez, 2 observateurs placés au sommet de 2 collines distantes de plusieurs lieux. Il voulait mesurer le temps que la lumière mettait pour faire un aller-retour. Galilée n'avait rien mesuré du tout, mais il avait pressenti que la lumière devait faire un aller-retour.

Fizeau pressent exactement la même chose. Voici le principe de son expérience :  Fizeau place une source lumineuse sur le balcon de sa maison, à Suresnes. A l'époque, pour obtenir une puissance suffisante, on utilise de la craie incandescente. Cette lumière vient ensuite buter contre une lame de verre semi-réfléchissante, inclinée à 45 degrés. De cette manière, elle est déviée direction Montmartre à plus de 8 kilomètres de Suresnes. 8 633 mètres exactement, jusqu'au balcon d'un ami, où Fizeau a installé un miroir. La lumière s'y réfléchit et repart en sens inverse jusqu'à Suresnes où notre physicien la récupère dans son oeilleton, après bien sûr qu'elle ait traversé la lame de verre. Le dispositif de Fizeau comporte également, c'est essentiel, une roue dentée installée au niveau de la station d'émission, sur la trajectoire du faisceau lumineux. En vrai, voilà ce que ça donne. Comme vous pouvez le constater, la machine réelle est un peu plus complexe, avec les différents appareils optiques destinés notamment à focaliser la lumière. La source lumineuse était placée ici, sur le côté. Là c'est la lame de verre semi-réfléchissante et juste derrière, vous reconnaissez la roue dentée. Mais si, la roue est bien dentée, seulement les dents son minuscules, il y en a 720. Cette roue dentée était entraînée par un mécanisme mis en mouvement par un poids qui se trouvait là. Alors à quoi pouvait bien servir cette route dentée ? Pour mieux comprendre nous allons nous concentrer sur 2 dents. Rassurez-vous, ça ne mord pas. Quand le mécanisme est au repos, la lumière passe entre 2 dents, frappe le miroir à Montmartre et revient vers Fizeau, qui observe un point lumineux dans l'oeilleton. Maintenant le physicien fait tourner la roue. Les dents coupent le faisceaux lumineux. Le point lumineux s'évanouit, puis apparaît de nouveau dans l'oeilleton. La roue tourne, de plus en plus vite, jusqu'au moment où la lumière qui à l'aller passe entre 2 dents, vient buter au retour contre une dent. A cette vitesse là, le point lumineux disparaît dans l'oeilleton de Fizeau. Elle est là l'astuce. Revoyons ce qui se passe au ralenti : le temps qu'a mis la dent pour remplacer le trou par lequel la lumière était passée à l'aller, correspond au temps qu'a mis la lumière pour faire l'aller-retour. Fizeau, qui a installé un compte tours sur sa machine, note que le phénomène est observé lorsque la roue atteint 12,6 tours par seconde. La suite, et bien, c'est une histoire de calcul. En fait la roue a été conçue de telle sorte que l'angle auquel correspond une dent soit d'un quart de degré. Connaissant le nombre de tours qu'effectue la roue dentée en une seconde, autrement dit 12,6 tours par seconde, et bien Fiezau en déduit que le temps que met une dent pour remplacer un creux est de 55 micro-secondes. La lumière met dont 55 micro-secondes pour faire l'aller-retour Suresnes-Montmartre, soit 17 266 mètres. Fizeau estime donc la vitesse de la lumière à trois cent quinze mille trois cents kilomètres par seconde. Pourtant Fizeau sait que ces résultats manquent de précision. En effet il a du mal à mesurer avec exactitude la vitesse de rotation de la roue dentée. Alors me direz-vous, pas de quoi sauter au plafond. Et bien si, et je ne suis pas le seul. Fizeau est salué par l'Académie des sciences. Il est même décoré de la légion d'honneur. Pourquoi ? Et bien parce que même si ce résultat manque de précision, Fizeau est le premier à avoir mis au point un dispositif capable de suivre sur Terre, le trajet de la lumière et de mesurer sa vitesse. Nous sommes en 1849. Dix ans plus tard, Léon Foucault, le complice des débuts mettra au point un autre dispositif. Il mesurera la vitesse de la lumière avec encore plus de précision. Mais ça c'est une autre histoire.

Dans le film que vous allez voir, des images de synthèse vont être utilisées pour représenter le trajet de la lumière. Or si la lumière se voit de face, lorsque la source lumineuse est devant vous, elle ne se voit pas de profil. Alors nous avons choisi de représenter la lumière de profil de cette façon, et comme la lumière n'est pas instantanée mais qu'elle se déplace, nous la ferons avancer de cette manière. Bien sûr, gardez en tête qu'ici la vitesse est considérablement ralentie. Bon film.

En 1849, un physicien français Hippolyte Fizeau était parvenu pour la première fois à mesurer la vitesse de la lumière sur Terre. Grâce à un dispositif ingénieux, il l'avait estimée à trois cent quinze mille trois cents kilomètres par seconde. Alors je sais, on est un peu loin de l'estimation faite par l'anglais James Bradley environ 300 000 kilomètres par seconde. Mais qu'importe les chiffres, le succès de Fizeau tenait d'abord et avant tout, au dispositif qu'il avait mis en place. Un dispositif qui prouvait que l'on pouvait mesurer la vitesse de la lumière sur Terre. Fizeau était d'ailleurs parfaitement conscient de cette marge d'erreur, qu'il attribuait à juste titre au manque de précision du matériel qu'il avait utilisé. D'ailleurs il ne publiera même pas ses résultats. Mais ça ne l'a pas empêché d'être salué par l'Académie des sciences, et décoré de la légion d'honneur.

Pour autant ce succès n'avait pas réglé tous les problèmes. A cette époque, je vous rappelle, les astronomes cherchent à déterminer avec précision la distance Terre-Soleil. Or, pour calculer cette distance, ils ont besoin de connaître précisément la vitesse de la lumière. D'où les travaux de Fizeau. Cependant la valeur trouvée par Fizeau étant imprécise,  et bien la question demeurait toujours en suspens. En 1853 Urbain le Verrier prend la tête de l'Observatoire de Paris. Il a toujours regretté que Fizeau n'ait pas poursuivi ses recherche. Il demande donc à Léon Foucault de lui fournir une nouvelle mesure plus précise de la vitesse de la lumière. Léon Foucault, je suis sûr que ce nom vous dit quelque chose, mais si, c'est le compagnon de route d'Hyppolite Fizeau. Comme lui c'est un autodidacte, et ensemble ils ont obtenu la première photographie du soleil.
Léon Foucault c'est aussi le père du pendule. Le fameux pendule de Foucault. Je sais, je sais, ce n'est pas le moment. Pour mesurer la vitesse de la lumière, Foucault reprend en l'améliorant une expérience dans laquelle il utilisait un miroir tournant. Au passage, cette expérience l'avait rendu célèbre, parce qu'elle lui avait permis de conclure que la lumière se déplaçait plus rapidement dans l'air que dans l'eau. Comme Fizeau, Léon Foucault sait qu'il ne peut mesurer cette vitesse qu'en faisant faire un aller-retour à la lumière. Il met donc en place le dispositif suivant : un héliostat capte la lumière du soleil et la renvoie sur une lame semi-réfléchissante. La lumière traverse cette lame, puis est réfléchie par le fameux miroir tournant. Et quand je dis qu'il tourne, je ne plaisante pas. 400 tours par seconde, ça donne le vertige. Le mécanisme est entraîné par une turbine à air comprimé, ce qui rend le mouvement parfaitement régulier, et réduit les imprécisions. Il y a aussi un compte tours extrêmement précis. Pour le moment cependant, le miroir tournant est à l'arrêt. Dans cette position, la lumière est dirigée vers un premier miroir fixe, puis vers un 2ème, un 3ème, un 4ème et enfin un 5ème miroir, conçu et orienté de telle sorte qu'une fois la lumière arrivée ici, elle repart en sens inverse, en suivant exactement le même chemin, jusqu'à la lame de verre semi-réflechissante qui dirige alors la lumière vers un oculaire. En partant du miroir tournant, et en y revenant, la lumière parcourt très exactement 40,4 mètres. Ce dispositif comporte également une mire graduée située ici. Cette mire a été réalisée par Gustave Froment, celui -là même qui a travaillé avec Fizeau. Lorsque la lumière pénètre le dispositif, elle franchit la mire et projette l'image de cette mire sur tout son trajet aller, et sur tout son trajet retour. Si les miroirs sont bien alignés, l'image de la mire apparaît dans l'oculaire. On place alors devant l'oculaire un réticule, autrement-dit un petit repère, et on le positionne précisément afin qu'il se trouve au milieu de la mire sur une graduation. Foucault lance le mécanisme du miroir tournant. La lumière s'y réfléchit. Seulement étant donné que le miroir tourne, la direction de la lumière est sans arrêt modifiée. Concrètement ou bien elle est dirigée vers les autres miroirs, ou bien elle passe à côté. Tout se passe en fait comme si l'image de la mire clignotait dans l'oculaire. J'ai bien dit "comme si". En effet le miroir tourne tellement vite, que l'oeil ne s'en aperçoit même pas. A cause d'un autre phénomène qu'on appelle la persistance rétinienne. Alors à quoi lui sert tout ce dispositif ? Et bien observons au ralenti ce qui se passe au niveau du miroir tournant. Foucault sait que la lumière se propage à une vitesse vertigineuse, de l'ordre de 300 000 kilomètres par seconde. Par conséquent, le temps que la lumière fasse l'aller-retour, le miroir tournant s'est seulement déplacé d'une fraction de degré, la lumière est toujours dirigée vers l'oculaire, mais elle est légèrement décalée par rapport à la lumière qui est réfléchie quand le miroir tournant est à l'arrêt. Du coup l'image de la mire est elle aussi légèrement décalée par rapport au réticule que Foucault avait soigneusement positionné. Et étant donné que la mire est graduée, et bien Foucault va pouvoir mesurer ce décalage. On y est presque. Ce décalage de 0,7 millimètre correspond à un angle de 0,02 degré. Maintenant souvenez-vous le miroir fait 400 tours par seconde. Un tour c'est 360 degrés. 400, c'est 400 fois plus, autrement dit 144 000 degrés en une seconde. Le miroir, lui s'est déplacé de 0,02 degré, il suffit donc de diviser, et on sait en combien de temps le miroir à parcouru cet angle, soit 135 milliardièmes de seconde. Ce temps, c'est le temps qui'a mis la lumière pour faire l'aller-retour à partir du miroir tournant soit 40,4 mètres. Nous sommes en 1862, Léon foucault annonce son résultat, avec une incertitude de 500 kilomètres par seconde. Très vite, la course à la précision allait maintenant commencer. Mais ça c'est une autre histoire.

Dans le film que vous allez voir, des images de synthèse vont être utilisées pour représenter le trajet de la lumière. Or si la lumière se voit de face, lorsque la source lumineuse est devant vous elle, ne se voit pas de profil. Alors nous avons choisi de représenter la lumière de profil de cette façon, et comme la lumière n'est pas instantanée, mais qu'elle se déplace, nous la ferons avancer de cette manière. Bien sûr, gardez en tête qu'ici la vitesse est considérablement ralentie.  Bon film.

Que de chemin parcouru depuis ces temps immémoriaux où les hommes pensaient que la lumière était instantanée, qu'il y en avait, ou qu'il n'y en avait pas. Aux alentours de 1850, tout le monde sait désormais que la lumière a une vitesse de propagation finie. Une vitesse très élevée d'ailleurs, puisqu'elle tourne autour de 300000 kilomètres par seconde. Deux méthodes ont été mises au point pour la calculer : la méthode dite de la roue dentée conçue par Hippolyte Fizeau, et celle du miroir tournant plus précise, mise au point quelques années plus tard, par Léon Foucault. Pour autant, même si la marge d'incertitude se rédui,t elle existe toujours, et c'est bien dommage, car je vous rappelle qu'à l'époque, les scientifiques cherchent à déterminer avec précision la distance terre-soleil. Ils ont plusieurs solutions pour déterminer cette distance. L'une d'elles consiste à utiliser la vitesse de la lumière. En effet depuis James Bradley, on sait combien de temps met la lumière pour parcourir la distance Terre-Soleil : 8 minutes et 12 secondes. Si on savait précisément à quelle vitesse se déplace la lumière, et bien, on en déduirait facilement quelle distance elle parcourt pendant ces 8 minutes et 12 secondes. Et ainsi on connaîtrait la distance Terre-Soleil. Les astronomes pensent qu'enfin ils vont pouvoir déterminer cette distance avec précision. En effet, en 1874, le Soleil, Vénus et la Terre doivent s'aligner. Poursuivant la tâche de Vénus sur le Soleil et en effectuant des mesures en différents points sur la planète, ils peuvent par calcul déterminer cette distance. Urbain le Verrier, qui dirige l'observatoire de paris n'est qu'à moitié satisfait. En effet, il regrette que l'on soit ainsi tributaire de la course des planètes pour déterminer cette distance. Il préférerait 100 fois que l'on puisse faire cette mesure sur Terre à tout moment, et pour cause, le Soleil, Vénus et la Terre ne sont que très rarement alignés. Certaines personnes ne pourront même jamais observer un tel alignement au cours de leur existence, il ne faut donc pas se tromper. Pour déterminer la distance Terre-Soleil, le Verrier préfère utiliser la vitesse de la lumière. Et puisque celle-ci manque de précision, et bien, il demande à un jeune physicien, Alfred Cornu, de se lancer dans une nouvelle campagne de mesures. Alfred Cornu a le choix entre la roue dentée et le miroir tournant. Il doute du miroir tournant. En effet, il juge que le déplacement du miroir pendant le trajet de la lumière n'est pas suffisamment important pour que sa mesure soit fiable. Or c'est justement ce déplacement, qui selon cette méthode permet de déterminer la vitesse de la lumière. Il choisit donc la méthode de la roue dentée. Pour être parfaitement honnête sachez aussi que Cornu a été formé par Fizeau, le père de la roue dentée. Cornu ne fonce pas tête baissée, si j'ose dire. Il est également conscient des limites de cette méthode. Je vous rappelle le principe : la lumière qui part d'un point est réfléchie par un miroir et revient au point de départ. Sur le chemin elle croise une roue dentée. Quand le système est au repos, la lumière passe à l'aller et au retour entre 2 dents. Quand la roue tourne, à partir d'une certaine vitesse, la lumière qui passe entre 2 dents à l'aller, bute contre une de ses dents au retour. C'est grâce à cette vitesse de rotation de la roue dentée que Fizeau a estimé la vitesse de propagation de la lumière. Pour que la lumière rencontre la dent sur son trajet retour, Fizeau a dû faire tourner la roue à 12,6 tours par seconde. Il atteint cette vitesse à tâtons, passant parfois à côté, et quand il y parvient, il a beaucoup de difficultés à la maintenir constante cette vitesse. Il doit reprendre l'expérience a maintes reprises, pour repérer la vitesse de 12,6 tours par seconde. Du coup il ne réalise qu'une vingtaine de mesures. Après un premier essai infructueux en 1871, Cornu va améliorer son dispositif expérimental. Pour cela il utilise une machine qui tourne très vite. Sa vitesse de rotation peut atteindre mille six cents tours par seconde. De plus, cette machine est équipée, et c'est important, d'un mécanisme qui enregistre continuellement la vitesse de rotation de la route dentée, et le moment où la lumière vient buter contre une dent, et disparaît dans l'oculaire de l'observateur. Ainsi il n'est plus besoin de maintenir constante la vitesse de la roue, car l'obturation de la lumière peut se produire pour différentes dents,  donc pour différentes vitesses de rotation.
A chaque fois que la lumière disparaît, Cornu appuie sur une clé électrique, reliée à la machine qui enregistre ce moment et la valeur de la vitesse correspondante. Cornu installe cette machine dans une mansarde de l'école polytechnique sur la montagne Sainte-Geneviève à Paris. Tandis que le miroir réflecteur lui est installé à 10 310 mètres de là, sur le Mont Valérien. Là où Fizeau n'avait fait que quelques dizaines d'essais, Cornu lui effectue plus de mille observations. La moyenne de ces mesures donne une valeur de 298 500 kilomètres par seconde. Cornu est le premier surpris par ce résultat. Alors qu'il trouvait suspecte la méthode de Foucault et son miroir tournant, il obtient une valeur quasi identique à ce dernier. Les méthodes de la roue dentée et du miroir tournant sont réconciliées. Mais la précision est encore insuffisante. Encouragé par Urbain le Verrier, directeur de l'observatoire de paris, Cornu va allonger la distance de l'aller-retour effectué par la lumière pour diminuer l'imprécision. En 1874, il installe sa machine à l'observatoire de  Paris et pointe à 23 kilomètres au sud, la tour médiévale de Montlhéry. Après son départ, la lumière parcourt 46 kilomètres avant de revenir à l'observatoire. Chaque soir Cornu se rend à l'observatoire, il passe des nuits entières à lancer des mesures, attendant des conditions de pureté de l'air et de calme exceptionnel. A force de patience, il finit par accumuler plus de cinq cents mesures, obtenant une valeur de la vitesse de la lumière de trois cent mille quatre cents kilomètres par seconde avec une incertitude de trois cents kilomètres par seconde. Cette méthode sera utilisée pendant de nombreuses années, elle fournira un dernier résultat en 1902, 299 880  kilomètres par seconde avec une incertitude de 84 kilomètres par seconde. Quel progrès ! Entre temps cependant, les français auront perdu le monopole des mesures de la vitesse de la lumière. En 1878, un jeune américain de 25 ans, Albert Michelson, bien décidé à fournir une mesure encore plus précise que celle de Cornu, va perfectionner la méthode du miroir tournant mise au point par Léon Foucault. Ce sont toujours les mêmes fondamentaux. Comme ses prédécesseurs, Michelson va mesurer la vitesse de la lumière sur un parcourt aller-retour, mais là où Foucault lui faisait parcourir 40,4 mètres, l'américain va mesurer la vitesse de la lumière sur une distance de 70,8 kilomètres. Le dispositif est le suivant : une source envoie la lumière sur une face d'un prisme à 8 côtés. La lumière est réfléchie et par un jeu de miroirs est dirigée sur une face opposée du prisme. Elle s'y réfléchit et après avoir parcouru 70,8 kilomètres depuis le départ, elle atteint l'observateur. Pour le moment, le prisme est au repos. Faisons le tourner maintenant. Quand la lumière arrive en bout de course, la face du prisme sur laquelle elle se réfléchit a légèrement tourné. Du coup la lumière n'est plus réfléchie vers l'oculaire. L'observateur ne voit plus rien. En fait, pour que l'observateur voie la lumière, il faut que le prisme fasse un 8ème de tour pendant le trajet de la lumière. Autrement dit, quand  la lumière parcourt 70,8 kilomètres, le prisme lui doit faire un 8ème de tour. De cette manière la lumière qui revient vers le prisme, se réfléchit sur une face qui la renvoie pile dans l'axe de l'oculaire. Michelson calcule que le phénomène se produit quand le prisme tourne à 528 tours par seconde. Autrement dit, le prisme fait un 8ème de tour en 237 millionièmes de seconde. Comme c'est également le temps que met la lumière pour faire 70,8 kilomètres, Michelson en déduit que la lumière se propage à 299 796 kilomètres par seconde avec une incertitude de 4 kilomètres par seconde. Cette valeur va devenir une référence pour les scientifiques pendant plusieurs dizaines d'années. Avec le temps, d'autres scientifiques vont mettre au point de nouvelles méthodes pour en affiner encore la mesure. Mais ça c'est une autre histoire.

Dans le film que vous allez voir, des images de synthèse vont être utilisées pour représenter le trajet de la lumière. Or si la lumière se voit de face, lorsque la source lumineuse devant vous, elle ne se voit pas de profil. Alors nous avons choisi de représenter la lumière de profil de cette façon, et comme la lumière n'est pas instantanée, mais qu'elle se déplace, nous la ferons avancer de cette manière. Bien sûr gardez en tête qu'ici la vitesse est considérablement ralentie. Bon film.

Durant des milliers d'années, l'homme a pensé que la lumière était instantanée. Il y en avait, ou il n'y en avait pas. Certes Halazen, un savant arabe, et plus tard Galilée, avaient bien pensé que la lumière avait une vitesse de propagation, mais ils n'avaient rien pu prouver. En fait il a fallu attendre la fin du 17ème siècle, avec les observations d'Olaus Roemer, un astronome danois, et 50 ans plus tard les travaux de James Bradley, un astronome anglais, pour que le monde soit enfin persuadé que la lumière avait une vitesse de propagation, une vitesse de propagation finie qu'on estimait à l'époque proche de 300 000 kilomètres par seconde. Bien que satisfaite du résultat, la communauté scientifique savait pertinemment que les valeurs obtenues manquaient de précision. Or plus que jamais les savants avaient besoin de précision. Le 19ème siècle va donc être le théâtre d'une course à la précision. Les savants vont mettre au point d'étonnants dispositifs et des machines époustouflantes toutes plus ingénieuses les unes que les autres, permettant de mesurer la vitesse de la lumière, non plus en observant les astres, mais sur Terre, en laboratoire. Des dispositifs libérant les scientifiques des contingences liées à la mécanique céleste et leur permettant de faire de plus en plus de mesures au moment où ils le souhaitaient. I y eu d'abord Hippolyte Fizeau et sa machine à roue dentée avec laquelle il estima la vitesse de la lumière à 315 300 kilomètres par seconde. Puis Léon Foucault et son miroir tournant qui proposa 298 000 kilomètres par seconde. Ces machines furent modifiées, perfectionnées, chaque intervention réduisant l'incertitude. Tant et si bien, qu'au début du 20ème siècle l'américain Michelson parvenait à ce résultat 299 796 kilomètres par seconde avec une incertitude de 4 kilomètres par seconde. C'est cet ordre de précision qui est important. Alors tous les dispositifs mis en place par ces physiciens avaient au moins un point commun : pour calculer la vitesse de la lumière, il faut d'abord déterminer une distance, puis mesurer le temps que met la lumière pour parcourir cette distance. En effet vous connaissez la formule : V =  D / T. La vitesse est égale à la distance sur le temps. Mais plus les scientifiques voulaient être précis, plus cette distance augmentait. Avec Fizeau, la lumière parcourait déjà 17 kilomètres ; avec Michelson 70. Et encore, il y avait toujours une incertitude. Jusqu'où allait-il falloir aller ? Et oui, on n'en voit pas le bout. A la fin du 19ème siècle, de nouvelles avancées sur la nature de la lumière vont révolutionner la mesure de sa vitesse. On comprend alors qu'elle se propage comme une onde, un peu comme l'onde qui se forme à la surface de l'eau quand on y jette un caillou. Attention ce n'est pas l'eau qui avance, c'est l'énergie  produite par la chute du caillou qui se déplace et qui met l'eau en mouvement. La lumière c'est la même chose, c'est de l'énergie qui se propage, à ceci près qu'elle ne met pas l'air qui nous entoure en mouvement. L'air n'ondule pas quand la lumière le traverse, la lumière c'est la propagation d'un champ électromagnétique. Ce sont les valeurs de ce champ électromagnétique qui ondulent et qui forment une vague. Cela dit, puisque la lumière forme une onde, et bien, elle en possède toutes les caractéristiques : la fréquence qu'on note F et la longueur d'onde qu'on note Lambda. La fréquence c'est le nombre d'oscillations qui se forment en une seconde. Cette fréquence se mesure en Hertz. Ici regardez, une, deux, trois. 3 oscillations en une seconde ça fait 3 hertz. La longueur d'onde maintenant, et bien, c'est la distance qui sépare 2 crêtes. Elle se mesure en mètres. Alors, qu'est-ce que cela nous apporte de plus ? Et bien vous allez voir, jusqu'à présent la vitesse était la distance sur le temps, V = D/T. Comme une onde se caractérise par une longueur, autrement dit une distance entre les 2 crêtes d'une oscillation et une fréquence à un nombre d'oscillations en une seconde. Et bien, la vitesse de l'onde, c'est cette longueur multipliée par la fréquence. Soit V = lambda x F. Et ce n'est pas tout. Au début du 20ème siècle on comprend aussi que la lumière visible ne représente qu'une toute petite partie des ondes électromagnétiques. Il y a aussi les ondes radio, les rayons x, les rayons ultraviolets, les rayons infra-rouge. Ces ondes n'ont ni la même longueur d'onde, ni la même fréquence. Mais elles se déplacent toute à la même vitesse, celle de la lumière. Et heureusement pour nous, c'est ce qui nous permet de suivre des matchs de foot en direct à la radio ou a la télévision, de téléphoner ou de jouer en réseau avec des consoles sans fil.

Après la seconde guerre mondiale, ces ondes électromagnétiques deviennent des supports très intéressants, pour les télécommunications notamment. Les scientifiques mettent au point des outils pour mesurer la longueur d'onde et la fréquence des ondes utilisées. Longueur d'ondes et fréquences qu'il suffit ensuite de multiplier pour obtenir la vitesse de la lumière. En un peu moins de 30 ans, on a obtenu plus d'une trentaine de mesures de la vitesse de la lumière, toutes de plus en plus précises. Tenez, en 1973, l'américain Evenson, en mesurant avec une grande précision la fréquence et la longueur d'onde d'un laser hélium-néon, obtient une vitesse de 299 mille 792 kilomètres 458 mètres et 70 centimètres par seconde, avec une incertitude de 1 mètre 10 par seconde. Là les scientifiques vont faire une pause. Ils auraient pu continuer à mesurer, avec une plus grande précision encore des longueurs d'onde et des fréquences, puis à les multiplier et pousser encore plus loin derrière la virgule, mais à quoi bon. A quoi bon obtenir des dizièmes, des centièmes, des millièmes de mètres, quand la valeur du mètre manque elle-même de précision ? J'entends déjà les critiques. Comment ça, le mètre imprécis ? Oui, la définition du mètre avant 1960 était donnée par le mètre étalon déposé à Sèvres, à côté de Paris. Il se présentait sous la forme d'une barre de platine, le mètre était la distance encadrée par 2 traits à zéro celsius. Le problème de ce mètre étalon est qu'il se déforme et qu'il s'use. Et puis, où commence et où finit réellement le mètre ? Au bord extérieur ou au bord intérieur du trait ? A moins que ce ne soit au milieu. Vous mesurez le problème ? Vous le voyez, ce mètre étalon n'était pas à la hauteur de la précision des calculs de la vitesse de la lumière. Il fallait donc redéfinir la notion de mètre, et la rendre universelle, la délocaliser en quelque sorte, afin que ce mètre puisse être consulté en tout point du globe, et que sa valeur ne dépende ni de l'observateur ni des conditions de l'observation. Sachant, d'après la théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein, que la lumière a une vitesse constante dans le vide, que l'on appelle désormais célérité, les scientifiques décidèrent alors d'inverser le problème. Plus question de mesurer la vitesse de la lumière avec ce mètre étalon, en revanche ils vont définir le mètre grâce à la vitesse de la lumière. En 1983, la 17ème conférence générale des poids et mesures stoppe la course à la précision, et fixe la vitesse de la lumière à 299 792 kilomètres et 458 mètres par seconde exactement. Par la même occasion, on donne donc au mètre une valeur universelle. Le mètre est la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant 1 / 299 792 458 millionième de seconde. La vitesse de la lumière devenait par conséquent une constante connue, une des constantes universelles qui n'avait désormais plus besoin d'être mesurée. Tout cela, mine de rien, a des applications très concrètes dans notre vie de tous les jours. Tenez, le gps par exemple, le global positioning system, qui dans la voiture nous indique où il faut tourner pour rejoindre le terrain de camping le plus proche. Comment fonctionne -t-il ? Le principe est assez simple. En connaissant la distance séparant le récepteur gps de 3 des 24  satellites gps placés en orbite autour de la planète, eh bien, on connaît la position du récepteur gps sur la Terre. En fait, les satellites émettent des ondes radios qui sont captées par les récepteurs. Ces récepteurs grâce à une horloge très précise connaissent le temps mis par ces ondes radio pour aller du satellite au récepteur. Connaissant la vitesse de la lumière à laquelle se propagent ces ondes radio, eh bien, on en déduit la distance séparant le satellite du récepteur. Et oui, la distance est égale à la célérité que multiplie le temps. On obtient une distance précise au centimètre près. Bien sûr, vous l'aurez sûrement remarqué, la précision d'un gps dépend de la définition de la vitesse de la lumière, on l'a vu, mais aussi de celle du temps, donc de la seconde. Qu'est-ce qu'une seconde ? Certes, ce n'est pas très long, mais malheureusement, nous n'avons plus le temps. Alors, rendez-vous pour une autre

Dans la même collection

Sur le même thème