Vitesse de la lumière

On a cru pendant longtemps que la lumière se propageait de manière instantanée. Nous savons aujourd'hui que ce n'est pas le cas, et la vitesse de la lumière a été définie à 299 792 458 mètres par seconde. Cette valeur a été fixée lors de la 15e Conférence Générale des poids et mesures, en 1975. Entre les premières intuitions d'Alhazen, mathématicien perse du moyen-âge, et la définition de la vitesse de la lumière comme une constante universelle, de nombreuses mesures ont été effectuées, avec des méthodes de plus en plus précises. Nous allons en étudier quelques unes.

Galilée, les collines et les lanternes

C’est Alhazen, un mathématicien perse du moyen-âge, qui a eu en premier l’intuition que la vitesse de la lumière était finie, même s’il n’a rien pu prouver. Au 17e siècle, Galilée a la même intuition, et il pense que si on ne peut pas s’en rendre compte à l’oeil nu, c’est parce que la lumière se propage très rapidement. Il va chercher à mesurer cette vitesse de propagation. Son expérience est simple: deux observateurs se placent chacun au sommet d’une colline, les deux collines étant séparées d’environ 1800m. Ils ont chacun une lanterne, éteinte au départ. Le premier observateur possède aussi une clepsydre, un instrument à eau qui fonctionne sur le même principe qu’un sablier et qui permet de mesurer le temps. Il va allumer sa lanterne et déclencher la clepsydre au même moment. Le deuxième observateur va allumer sa lanterne dès qu’il aperçoit la lumière de la première lanterne. Au moment où le premier observateur voit la lanterne de son compagnon, il arrête la clepsydre. En théorie, cette expérience donne le temps que met la lumière pour parcourir environ 3600m. En pratique, la lumière semble instantanée. Ceci est dû au fait que la distance qui sépare les deux hommes est trop faible, la lumière met seulement quelques millionièmes de secondes pour faire l’aller-retour entre les deux hommes.

La vitesse d'un objet s'exprime par la relation v:d/t avec v la vitesse, d la distance parcourue et t le temps mis par l'objet pour parcourir cette distance. Dans le système international d'unités (SI), la vitesse s'exprime en m/s. Dans la vie de tous les jours, on utilise le plus souvent des km/h (par exemple pour exprimer la vitesse d'une voiture). Pour convertir des m/s en km/h, il suffit de multiplier par 3,6 et pour convertir des km/h en m/s, il faut diviser par 3,6. Par exemple, une voiture qui roule à 90km/h roule à 25m/s.

Observation des éclipses de Io

Toujours au 17e siècle, Jean-Dominique Cassini observe les éclipses de Io, un des satellites naturels de Jupiter. Il va utiliser les lois de Kepler, qui décrivent la mécanique céleste, pour effectuer des prévisions sur les horaires auxquels ces éclipses ont lieu. Mais il se rend compte que ses observations ne collent pas à ses prévisions: à certains moments de l'année, les éclipses ont du retard, à d'autres, elles ont de l'avance. Olé Römer, un astronome danois qui travaille avec Cassini, explique ce phénomène par le fait que la distance entre la Terre et Jupiter n'est pas toujours la même. Si la lumière a une vitesse finie, alors elle met plus de temps pour parcourir une distance plus grande, ce qui explique le retard des éclipses. Il estime ainsi la vitesse de la lumière autour de 300 000km/s. (Question: Comment connait-on la distance qui sépare la Terre de Jupiter à cette époque?)