Comment sommes-nous arrivés à la vitesse de la lumière ?

Tous les étudiants en physique du secondaire savent c, ou la vitesse de la lumière, c’est 3 x 10^8 mètres par seconde. Les étudiants plus avancés ou plus curieux sauront qu’il s’agit d’une approximation, et le chiffre de 299 792 458 mètres par seconde qui forme le chiffre officiellement accepté provient d’une résonance de l’atome de césium à partir de laquelle est dérivée une valeur pour la seconde.

Galilée
Galileo Galilei, dont la présence dans cette histoire ne devrait pas surprendre. Justus Sustermans, domaine public.

Mais pour ceux qui sont vraiment curieux de mesurer la vitesse de la lumière, la question demeure : comment sommes-nous arrivés à ce chiffre et depuis combien de temps le mesurons-nous ? La réponse contient quelques surprises, ainsi que des réflexions et des expérimentations scientifiques exceptionnellement intelligentes au cours des siècles.

La nature de la lumière et sa vitesse avaient déconcerté les philosophes et les scientifiques depuis l’Antiquité, mais les premières expériences réalisées pour tenter de la mesurer étaient, vous ne serez pas surpris d’entendre, réalisées par Galilée au début du 17e siècle. . Son expérience impliquait son observation d’assistants découvrant des lanternes à des distances connues, et ses observations n’ont pas permis d’arriver à un chiffre.

Plus tard au cours de ce siècle, en 1676, la première estimation numérique de la vitesse de la lumière a été faite par l’astronome danois Ole Rømer, qui a observé une variation apparente de la période de l’une des lunes de Jupiter selon que la Terre s’en approchait ou s’en éloignait. À partir de là, il a pu estimer le temps mis par la lumière pour traverser l’orbite terrestre, et à partir de là, le mathématicien Christiaan Huygens a pu produire un chiffre de 220 000 000 mètres par seconde.

Rouages ​​et miroirs tournants : temps de vol

Le tube sous vide d'un kilomètre de long utilisé dans l'expérience de temps de vol de Michelson.  H
Le tube sous vide d’un kilomètre de long utilisé dans l’expérience de temps de vol de Michelson. HH Dunn, domaine public.

Les expériences avec lesquelles nous serons peut-être les plus familiers sont les mesures dites de temps de vol, qui reprennent l’idée de Galilée d’observer le retard lorsque la lumière se déplace sur une distance, et lui apportent une précision toujours plus grande. Cela a été réalisé pour la première fois au milieu du 19e siècle par le physicien français Hippolyte Fizeau, qui réfléchissait un faisceau de lumière provenant d’un miroir sur plusieurs kilomètres et utilisait une roue dentée pour le découper en impulsions. Les impulsions pouvaient être augmentées en fréquence en déplaçant la roue plus rapidement jusqu’à ce que le temps nécessaire à la lumière pour parcourir la distance de la roue au miroir et vice-versa corresponde à la séparation entre les dents et que l’impulsion de retour puisse être observée. Son calcul de 313 300 000 mètres par seconde a été successivement amélioré par les travaux successifs d’autres dont Léon Foucault, aboutissant à la série d’expériences du physicien américain Albert A. Michelson dans les années 1920. Le chiffre final de Michelson s’élevait à 299 774 000 mètres par seconde, mesuré par une traversée multi-chemins d’un tube sous vide d’un mile de long dans le désert californien. Dans la seconde moitié du siècle, les techniques se sont déplacées vers l’interférométrie laser, et dans la quête pour définir les unités SI en termes de constantes, finalement vers la définition mentionnée au premier paragraphe.

La partie la plus fascinante de l’histoire résume probablement l’essence de la découverte scientifique, à savoir que si arriver à quelque chose nécessite le travail de nombreux scientifiques s’appuyant sur le travail des autres, cela peut alors souvent être rendu sous une forme qui peut être comprise par un étudiant qui n’a pas eu à passer par tous ces efforts. Nous pourrions reproduire les expériences de Fizeau et Michelson avec un générateur d’impulsions, une diode laser et un oscilloscope, qui, bien que de peu de valeur scientifique près d’un siècle après le tube sous vide de Michelson, est toujours immensément frais. Quelqu’un at-il donné un essai?

Image d’en-tête : Tommologie, CC BY-SA 4.0.