Vitesse de la lumière
|
|
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.
|
|
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.
Ole 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. En effet, si on regarde l'image ci-contre, la Terre est plus éloignée de Jupiter lorsqu'elle se trouve au point F que lorsqu'elle se trouve au point G. Le point B représente Jupiter, les points C et D représentent les positions où Io disparait et apparait derrière Jupiter tandis que les points E, F, G, H, L et K représentent les différentes positions de la Terre autour du Soleil. 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. James Bradley, un astronome anglais, va réussir à prouver cette hypothèse grâce à l'aberration de la lumière et va estimer 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?)
Roue dentée de Fizeau
Au milieu du 19e siècle, il est admis par la communauté scientifique que la lumière a une vitesse finie. En 1849, Hippolyte Fizeau s'inspire de Galilée et améliore son dispositif. Il effectue ses mesures entre son balcon, à Suresnes, et la butte Montmartre, à exactement 8633m de distance.
Une source de lumière est placée à Suresnes. Le rayon lumineux va passer à travers un miroir semi-réfléchissant, puis à travers une roue dentée. Il va ensuite continuer jusqu'à un miroir réfléchissent, à Montmartre, où il va être renvoyé vers Suresnes, en passant à nouveau par la roue dentée. Là, l'observateur va pouvoir l'observer.
Si la roue dentée est au repos, le rayon lumineux va passer à travers un creux entre de dents à l'aller, et par le même creux au retour. Mais dès qu'un moteur fait tourner la roue, le rayon passe à travers un creux à l'aller, mais se retrouve bloqué par une dent au retour. C'est seulement à partir d'une certaine vitesse de rotation de la roue que le rayon va pouvoir passer par le creux suivant au retour. En mesurant cette vitesse de rotation, on peut déterminer le temps qu'a mis le rayon lumineux pour effectuer l'aller-retour entre la roue et le miroir, et donc on peut calculer la vitesse de la lumière.
(Démonstration à faire)