Expérience de Michelson-Morley - Définition

Introduction

Avant Einstein

Avec Einstein

En physique des particules

Méta

Albert Abraham Michelson et Edward Morley ont cherché à mettre en évidence la différence de vitesse de la lumière entre deux directions perpendiculaires et à deux périodes espacées de 6 mois, et concluent (contrairement à l'attente) que cette différence était nulle.

En fait, il s'agit de toute une série d'expériences entre 1881 (Michelson seul) et 1887 (ensemble), date à laquelle le résultat est définitivement admis (bien que cette expérience soit régulièrement refaite à chaque fois qu'un progrès technique permet de gagner en précision, avec toujours le même résultat).

L'interprétation de ce résultat a conduit les physiciens à conclure que l'éther (hypothétique support matériel des vibrations d'une onde électromagnétique comme la lumière) n'existe pas. Cela montre aussi que la vitesse de la lumière est la même dans toutes les directions.

C'est dans l'histoire de la physique une des plus importantes et une des plus célèbres expériences, elle valut à Michelson le prix Nobel de physique en 1907.

Principe

Cette expérience a été conçue par Michelson pour mesurer la vitesse de la lumière dans son support supposé (l'éther) et en se basant sur la loi classique d'addition des vitesses. Il est apparu que la Terre sur son orbite avec une vitesse d'environ 30 km/s était le laboratoire idéal pour déceler une variation de la vitesse de la lumière sur des parcours identiques en longueur mais qui devaient être différents en temps selon qu'ils seraient dans le sens du mouvement ou perpendiculairement au vent d'éther.

Illustration de l'expérience de Michelson-Morley

On construit l'appareil de telle sorte que les miroirs M1 et M2 soient à égale distance, D, de la lame séparatrice.

Alors, si la terre est immobile par rapport à l'éther, les deux trajets dans les deux directions perpendiculaires sont égaux (même distance parcourue, même durée de trajet).

Si, en revanche, la terre est en mouvement par rapport à l'éther, à la vitesse v dans une direction (vers M1 par exemple), alors les deux trajets ne sont pas faits à la même vitesse, et la distance parcourue n'est pas la même dans les deux directions :

• un aller et retour dans le sens de la marche de la Terre (vers M1) nécessite un temps

t1= soit, en négligeant les termes de second ordre :

• un aller-retour perpendiculairement à la marche de la Terre (vers M2) nécessite un temps

t2= ou, dans la même approximation, : .

La différence de temps de parcours entre les deux trajets est alors .

L'écart de temps attendu est trop faible pour être directement mesuré, aussi Michelson utilise le fait qu'il doit produire un retard de phase (ou déphasage) et donc des franges d'interférences. Il construit un appareil auquel on a donné son nom, l'interféromètre de Michelson.

Il s'agit donc d'une quantité trop petite pour être mesurable avec une grande précision. Par contre, on peut espérer la mettre en évidence par méthode optique, i.e. par l'observation des franges d'interférence. En effet, le chemin optique - ou la différence de marche - δ = c.t est tel que Δδ = c.Δt. On calcule l'ordre d'interférence Δp par définition, et compte tenu de la vitesse orbitale de la Terre sur son orbite 30 km/s:

ou encore

avec .

Par exemple, dans le visible pour la longueur d'onde λ = 5000A = 5.10 ^{− 7}m, et pour un bras D = 10 mètres

c'est-à-dire très "visible" et donc parfaitement "mesurable". Or, l'expérience de Michelson-Morley n'a jamais permis une telle mesure: i.e. le résultat était toujours négatif !

De plus, l'appareil n'étant pas parfait, on ne peut assurer que la distance entre la lame séparatrice et le miroir soit parfaitement égale dans les deux directions, et de ce fait l'apparition de franges ne permet pas de conclure directement. En revanche, on peut faire la différence entre les franges dues à l'appareil, et celles dues au phénomène qu'on veut mettre en évidence : il suffit pour cela de faire tourner l'appareil d'un quart de tour pour intervertir les deux trajets, et d'observer si les franges se modifient.

Enfin, comme on ne sait pas a priori quelle est la vitesse de la Terre par rapport à l'éther, ni même si l'on n'est pas, par hasard, dans un endroit et à un moment où sa vitesse est nulle, il faut refaire l'expérience dans plusieurs directions, et avec plusieurs mois d'écart pour profiter du fait que la vitesse de la terre par rapport à l'éther est modifiée.

Le premier interféromètre monté par Michelson n'étant pas assez précis pour conclure, c'est avec Morley que finalement les deux chercheurs purent affirmer que

"s'il y a un mouvement relatif entre la Terre et l'éther luminifère, il doit être petit"

Cette expérience est sans doute la plus célèbre des expériences négatives (donnant un résultat contraire à ce qui était recherché).