Comment a-t-on mesuré la vitesse de la lumière ?
La lumière est-elle infiniment rapide ?
Tu allumes une lampe et toute la pièce s’éclaire d’un coup. Longtemps, on a cru que la lumière ne se déplaçait pas, qu’elle était simplement partout à la fois. Comment mesurer si elle se déplace vraiment ?
L’expérience des lanternes
Galilée a essayé avec des lanternes : deux personnes sur des collines, à environ un kilomètre l’une de l’autre. L’une découvre sa lanterne, et dès que l’autre la voit, elle découvre la sienne. Mais il n’a mesuré que le temps de réaction des gens, car la lumière parcourt ces deux kilomètres aller-retour en sept millionièmes de seconde.
Une horloge dans le ciel
Le ciel offrait à la fois une longue distance et une horloge. Io, une lune de Jupiter, fait le tour de la planète toutes les 42,5 heures et disparaît chaque fois un moment dans son ombre. Ces éclipses sont régulières et on peut les prévoir.
L’horloge prend du retard
En 1676, l’astronome danois Ole Rømer remarque que les éclipses d’Io n’arrivent pas toujours à l’heure. Quand la Terre est au plus près de Jupiter, elles arrivent comme prévu, mais à mesure que la Terre s’éloigne, elles prennent de plus en plus de retard. De l’autre côté de l’orbite terrestre, le retard est d’environ 17 minutes.
La lumière traverse toute l’orbite de la Terre
Rømer comprend pourquoi : la lumière met un certain temps pour venir d’Io jusqu’à nous. De l’autre côté de l’orbite, elle doit parcourir en plus tout son diamètre, environ 300 millions de kilomètres. Rømer estime qu’il lui faut 22 minutes ; on sait aujourd’hui que c’est environ 17 minutes, soit à peu près 1 000 secondes. La lumière parcourt donc environ 300 000 kilomètres par seconde.
La roue dentée
Sur Terre, le premier à la mesurer est Hippolyte Fizeau, en 1849. Il envoie la lumière d’une lampe à travers un creux entre les dents d’une roue dentée, vers un miroir situé à 8,6 kilomètres. Le miroir la renvoie, et la lumière revient par le même creux jusqu’à l’œil. Mais comment savoir, avec ça, à quelle vitesse elle va ?
Quand la roue tourne
Puis il fait tourner la roue. Tant qu’elle tourne lentement, elle avance à peine avant le retour de la lumière, qui repasse par le même creux. Plus il accélère, plus la lumière qui revient heurte le bord d’une dent et faiblit. À 12 tours et demi par seconde, elle disparaît complètement : la roue a avancé d’une dent entière et la lumière tombe sur une dent au lieu d’un creux. Avancer d’une dent prend à la roue 1/18 000 de seconde, pendant lesquels la lumière parcourt 17 kilomètres aller-retour : environ 310 000 kilomètres par seconde.
Vérifie par toi-même
Les micro-ondes sont aussi de la lumière, mais invisible. Enlève le plateau tournant du micro-ondes et chauffes-y une tablette de chocolat 20 secondes. Les micro-ondes rebondissent sur les parois et chauffent le plus aux points distants d’exactement une demi-onde : le chocolat fond environ tous les 6 cm, donc une onde entière mesure 12 cm. La vitesse d’une onde, c’est sa longueur fois ses oscillations par seconde, indiquées sur l’étiquette du four : 2 450 MHz, soit 2,45 milliards. 12 cm × 2,45 milliards font environ 300 000 kilomètres par seconde.
Et aujourd’hui ?
Dans les années 1970, on l’a mesurée au laser, avec la même formule que pour le chocolat : longueur d’onde multipliée par le nombre d’oscillations. Résultat : 299 792 458 mètres par seconde, et depuis 1983 ce nombre est fixé ; c’est même lui qui sert à définir la longueur du mètre. Aujourd’hui, on ne mesure donc plus la vitesse de la lumière, on mesure avec elle : un laser renvoyé par les miroirs laissés sur la Lune par les astronautes met 2,5 secondes pour l’aller-retour, et on en déduit la distance de la Lune au centimètre près.
Alors, comment l’a-t-on mesurée ?
La lumière est si rapide que, pour la mesurer, il faut une distance énorme ou une horloge très précise. Rømer a pris l’orbite de la Terre et, comme horloge, les éclipses d’Io ; Fizeau a pris 17 kilomètres et, comme horloge, une roue qui tourne vite. Les deux ont montré que la lumière va à une vitesse prodigieuse, mais finie.