Comment a-t-on mesuré la vitesse de la lumière ?

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. Mais comment en est-on venu à établir à quelle vitesse la lumière voyage ?

C'est Galilée qui, au début du 17e siècle, fut le premier savant à s'intéresser à la vitesse de la lumière. Pour la mesurer, il demanda à l'un de ses assistants de s'éloigner de trois kilomètres. Après que Galilée eut envoyé un signal lumineux en découvrant une lanterne, l'assistant dut faire de même. L'idée de diviser la distance parcourue par le temps 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 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 (ou éclipse) ne se produisait pas exactement comme le prévoyaient les tables astronomiques de Cassini. En fait, il remarqua que l'occultation du satellite le plus proche de la planète (Io) survenait avec un décalage d'une vingtaine de minutes, selon que la position de la Terre par rapport à Jupiter et au Soleil 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 de l'Université de Montréal.

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 utilise une roue dentée qui tourne autour d'un axe parallèle à un faisceau lumineux, qu'il dirige vers un miroir situé à 8,6 kilomètres de distance entre Suresnes et Montmartre, à Paris. Lorsque le faisceau n'est pas arrêté par une dent 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 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. En 1850, il démontre que la lumière se déplace moins vite dans l'eau puis, 12 ans plus tard, il évalue que la vitesse de la lumière dans l'air est de 298 000 kilomètres par seconde.

Une précision inouïe

Plus d'un siècle plus tard, grâce à l'arrivée du laser, 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, 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 portable muni d'un système de localisation GPS. En connaissant la vitesse des ondes 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 permettent ainsi de dire où la personne se trouve avec une précision d'une dizaine de mètres.