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L’année Einstein et les bouleversements de la physique : Michelson et la vitesse de la lumière

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Michelson et la vitesse de la lumière

En 1879, la théorie de Maxwell avait établi que la lumière était un rayonnement électromagnétique se propageant à la manière des ondes. Cependant, dans une vi­sion « mécaniste » du phénomène, qui était la règle à l’époque, il restait à savoir quel était le support de cette propagation. Lorsqu’il s’agit d’ondes sonores, ce support est l’air, puisque c’est lui qui entre en mouvement, mais pour la lumière, quel pouvait être le milieu vibrant ? Faute de connaître ce milieu, les physiciens lui avaient donné un nom, « l’éther ». Ils imaginaient que le vide était rempli de cette substance impal­pable, et que c’était son mouvement qui propageait l’onde électromagnétique. Maxwell ayant déclaré que l’éther, s’il existait, ne serait pas facile à mettre en éviden­ce, le physicien américain Albert A. Michelson décida de relever le défi.

Partant de l’idée que l’air, invisible, se manifeste par le phénomène du vent, il imagina de démontrer l’existence d’un « vent d’éther ». L’idée du physicien améri­cain était la suivante : si l’éther emplit tout l’espace, la Terre, qui le traverse à grande vitesse dans son mouvement autour du Soleil, doit être soumise à ce vent d’éther, tout comme les cavaliers, galopant dans l’air immobile, ressentent le vent de la cour­se. Mais comment mettre ce phénomène en évidence ? En utilisant la lumière, juste­ment. Si cette dernière prend appui sur l’éther, elle ne doit pas se propager avec la même vitesse dans le sens du mouvement de la Terre – puisque alors le vent d’éther doit la ralentir -, ou dans le sens opposé – où le vent d’éther lui est favorable.

Pour vérifier cette hypothèse, Michelson construisit un appareil, fonctionnant sur le principe des interférences lumineuses, et destiné à mesurer avec précision la vi­tesse de la lumière. En 1881, une première expérience montra que les performances de cet interféromètre étaient insuffisantes. Une deuxième version en fut alors réalisée par Michelson et son collègue Edward W. Morley.En fait, cet appareil ne permettait de comparer la vitesse de la lumière que selon deux directions perpendi­culaires l’une à l’autre. Mais il était facile de montrer que, même dans ces conditions, l’effet du vent d’éther devait se faire sentir. L’expérience cruciale fut réalisée en 1887. Son résultat fut clair et net, mais surprenant. Ahurissant, même! Michelson et Morley trouvèrent que la vitesse mesurée le long des deux bras de leur interféromètre était la même, quelle que soit l’orientation de celui-ci. L’effet du vent d’éther sur la vitesse de la lumière était nul, ou très petit.

Ce phénomène était inexplicable. Même si l’on admettait, comme Maxwell l’avait fait quelques années plus tôt, que, contrairement aux vibrations mécaniques, les ondes lumineuses, d’origine électromagnétique, n’avaient pas besoin de support pour se propager, le mystère restait entier. En effet, l’expérience de Michelson dé­montrait alors que la lumière n’obéissait pas à la règle de composition des vitesses is­sue de la mécanique de Newton. Selon cette règle, si un homme se déplace à la vitesse v dans un train lui-même animé de la vitesse V par rapport à la campagne environ­nante, cet homme se déplacera à la vitesse (V + v) par rapport à ce même repère s’il marche dans le sens de déplacement du train et à la vitesse (V – v) s’il marche en sens inverse. La lumière, elle, se propageait à la vitesse c dans les deux cas, sans que la vitesse V de la Terre ne l’influence aucunement…

 

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