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Posté par Adrien le Dimanche 21/06/2015 à 00:00
Comment a-t-on mesuré la vitesse de la lumière ?

Illustration: Benoît Gougeon
On sait aujourd'hui que le rayon de soleil qui nous chauffe la peau a été émis huit minutes auparavant par l'astre. Et que la lumière produite par l'étoile la plus proche de nous, Proxima du Centaure, a mis quatre ans avant d'atteindre la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la...). Mais comment en est-on venu à établir à quelle vitesse (On distingue :) la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est considérablement développé et démocratisé, au cours du XXe siècle avec...) ?

C'est Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du XVIIe siècle, célèbre pour avoir jeté...) qui, au début du 17e siècle, fut le premier savant à s'intéresser à la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène ondulatoire), est une constante...). Pour la mesurer, il demanda à l'un de ses assistants de s'éloigner de trois kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.). Après que Galilée eut envoyé un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) lumineux en découvrant une lanterne, l'assistant dut faire de même. L'idée de diviser la distance parcourue par le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) afin d'obtenir la vitesse était bonne, mais l'expérience échoua : la lumière se propage trop rapidement pour qu'on puisse déterminer sa vitesse sur une aussi courte distance...

Le premier à faire une approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être...) valable de la vitesse de la lumière fut le Danois Ole Rømer en 1676. En observant les satellites de Jupiter, il remarqua que leur occultation (Une occultation est un phénomène de recouvrement apparent d'un élément par un autre.) (ou éclipse) ne se produisait pas exactement comme le prévoyaient les tables astronomiques de Cassini (La mission Cassini-Huygens est une mission spatiale automatique réalisée en collaboration par le Jet Propulsion Laboratory (JPL), l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence...). En fait, il remarqua que l'occultation du satellite (Satellite peut faire référence à :) le plus proche de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa...) (Io) survenait avec un décalage d'une vingtaine de minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...), selon que la position de la Terre par rapport à Jupiter et au Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...) était en conjonction ou en opposition. "Rømer en déduisit que la lumière se déplaçait à une vitesse certes élevée, mais finie, c'est-à-dire une vitesse limite", explique Richard Leonelli, professeur et directeur du Département de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et...) de Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande agglomération canadienne constitue un centre majeur du commerce, de l'industrie, de la culture, de la finance et des affaires internationales....).

Premières mesures sur terre

Puis, au fil du temps, les méthodes se sont raffinées et l'on est parvenu aux premières mesures de laboratoire. En 1849, Hippolyte Fizeau (Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819-1896) est un physicien français qui travailla notamment sur la lumière.) utilise une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) dentée qui tourne autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) d'un axe parallèle à un faisceau lumineux, qu'il dirige vers un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour...) situé à 8,6 kilomètres de distance entre Suresnes et Montmartre, à Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin...). Lorsque le faisceau n'est pas arrêté par une dent (Une dent est un organe enveloppé d'os, dur, blanchâtre, généralement composé d'une couronne libre et d'une ou plusieurs racines implantées dans la cavité buccale, plus particulièrement dans l'os...) de la roue, il est renvoyé par le miroir et revient vers la roue. Selon la vitesse de cette dernière, soit il passe entre deux dents, soit il est arrêté par une dent. On observe alors une éclipse (Une éclipse correspond à l'occultation d'une source de lumière par un objet physique. En astronomie, une éclipse se produit lorsqu'un objet (comme une planète ou un satellite naturel) occulte une source de lumière (comme...) pour une certaine vitesse.

Léon Foucault a perfectionné la méthode en employant deux miroirs, dont l'un fait dévier légèrement la lumière vers un autre miroir, avec une roue dentée qui tourne à 400 tours par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La...). En 1850, il démontre que la lumière se déplace moins vite dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) puis, 12 ans plus tard, il évalue que la vitesse de la lumière dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de...) est de 298 000 kilomètres par seconde.

Une précision inouïe

Plus d'un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut...) plus tard, grâce à l'arrivée du laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...), il est établi que la vitesse de la lumière est de 299 792,46 kilomètres par seconde, et ce, avec une marge d'erreur de 20 centimètres par seconde. C'est-à-dire qu'un faisceau lumineux met trois nanosecondes pour parcourir un mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le...), soit trois milliardièmes de seconde !

"Nous ne mesurons plus la vitesse de la lumière depuis le milieu des années 70, car cette valeur étalon est d'une précision telle qu'elle est considérée comme universelle", indique Richard Leonelli.

Néanmoins, celui-ci a bien voulu nous montrer comment il est possible de reproduire l'expérience dans le laboratoire du département.

À quoi cela sert-il ?

À quoi peut bien servir de connaître la vitesse de la lumière ? Les applications sont nombreuses, mais il en est une qui touche tous ceux et celles qui ont un téléphone (Le téléphone est un système de communication, initialement conçu pour transmettre la voix humaine.) portable muni d'un système de localisation GPS. En connaissant la vitesse des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte...) électromagnétiques, qui se déplacent à la vitesse de la lumière, on peut établir à quelle distance une personne se situe par rapport aux satellites qui émettent des signaux de synchronisation : les délais captés par triangulation (En géométrie et trigonométrie, la triangulation est une technique permettant de déterminer la position d'un point en mesurant les angles entre ce point et d'autres points de référence dont...) permettent ainsi de dire où la personne se trouve avec une précision d'une dizaine de mètres.


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Source: Martin LaSalle - Université de Montréal
 
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