Vitesse de la lumière - Définition

Historique

Après les spéculations d’Empédocle, d’Alhazen ou de Roger Bacon, et les tentatives malheureuses de Galilée avec des aides démasquant des lanternes, la première estimation expérimentale est due à l’astronome danois Ole Christensen Rømer : en étudiant le cycle des éclipses de Io, satellite de Jupiter, il trouve que 40 révolutions observées lors d’une quadrature de Jupiter avec la Terre sont décalées dans le temps par rapport à 40 autres observées lorsque les deux planètes sont au plus proche. Il en déduit que quand Jupiter et la Terre sont en positions opposées par rapport au soleil, la lumière de Jupiter met 22 minutes de plus pour nous parvenir que lorsque les deux planètes sont au plus proche, ce retard correspondant au temps supplémentaire de parcours par la lumière du diamètre de l’orbite terrestre.

En septembre 1676, il prédit ainsi pour une émersion de Io, un retard de 10 minutes (observé le 9 novembre) par rapport à la table établie par Cassini. La lumière mettait ainsi 11 min pour parcourir le rayon de l’orbite terrestre, mais ce rayon était mal connu, les mesures étant dispersées entre 68 et 138 millions de kilomètres, valeurs toutes fausses.

Rømer (qui trouva ensuite 7 min), Cassini, Newton et bien d’autres améliorèrent la précision du temps de parcours, mais il fallut attendre que Delambre analyse un millier d’éclipses, réparties sur 140 ans, pour trouver la valeur de 8 min 13 s (la valeur correcte est de 8 min 19 s).

L’étape suivante est due à James Bradley : en 1727, étudiant les variations de déclinaison de l’étoile Gamma du Dragon, il découvre le phénomène de l’aberration de la lumière, dû à la combinaison de la vitesse de la lumière avec celle de la Terre ; il en déduit que la vitesse de la lumière vaut 10 188 fois celle de la Terre. Mais la vitesse de la Terre était mal connue, puisqu’elle dépend du rayon de son orbite.

Schéma illustrant la mesure de la vitesse de la lumière par le système de roue dentée de Fizeau. La lumière passe à travers un miroir semi-réfléchissant puis à travers une échancrure de la roue dentée. Elle parcourt une certaine distance, se réfléchit sur un miroir et revient vers la roue qui, entre-temps, a tourné. La connaissance de la distance totale parcourue par la lumière et de la vitesse de rotation de la roue nécessaire à ce que la lumière, lors de son retour, soit bloquée par une dent de la roue, permet de déterminer la vitesse de la lumière.

La première mesure, indépendante d’une autre mesure, est faite par Hippolyte Fizeau, en 1849. En opérant entre Suresnes et Montmartre avec un dispositif à roue dentée, il trouve 315 000 km/s (donc majorée avec une erreur de seulement 5 %, un résultat déjà impressionnant pour l’époque puisque l’expérience s’est contentée de moyens matériels d’une taille très restreinte eu égard à la vitesse calculée obtenue).

Un nouveau progrès est fait par Léon Foucault avec un dispositif à miroir tournant, qui lui permet d’opérer sans sortir du laboratoire. En 1850, il montre que la lumière se déplace moins vite dans l’eau, en accord avec la théorie des ondulations. En 1862, il trouve la valeur de 298 000 km/s.

Les mesures (et les méthodes) vont alors se multiplier :

• En 1870, Alfred Cornu perfectionne la méthode de la roue dentée et trouve 298 500 km/s, en opérant entre l’École polytechnique et le Mont Valérien. En 1874, entre l’observatoire et la tour de Montlhéry, il trouve 300 400 km/s.
• En 1878, Albert Michelson (alors âgé de 25 ans) « bricole » un dispositif à miroir tournant et trouve 300 140 ± 480 km/s : c’est la première valeur donnant une mesure avec un intervalle de précision correct par rapport à la valeur actuelle, même si la valeur moyenne estimée est encore excessive).
• En 1882, Simon Newcomb, avec un miroir tournant, trouve 299 860 ± 30 km/s, pendant que Michelson trouve 299 853 ± 60 km/s : ces deux valeurs sont légèrement en excès par rapport à leur intervalle de précision donné (trop faible) et la valeur actuelle, car ces mesures ne prenaient pas en compte la correction des accélérations dues à l’effet Doppler sur les instruments de mesure, un effet encore mal maîtrisé expérimentalement pour la lumière ; cependant pour la précision des calculs et mesures utilisant la valeur moyenne estimée, cette précision constitue de nets progrès, une fois l'intervalle d’imprécision corrigé.
• En 1926, Michelson opère une dernière mesure, avec une base de 35 km, entre le Mont Wilson et le Mont San Antonio. Il trouve 299 796 ± 4 km/s : cette fois l’intervalle de précision donné contient la valeur actuelle, même si c’est à sa limite inférieure.

Après la Seconde Guerre mondiale, le géodimètre, la cavité résonnante, le radar, le radio-interféromètre, la spectrométrie de bande, et surtout le laser, vont permettre un bond dans la précision :

• En 1947, avec une cavité résonante (un guide d’onde fermé), Louis Essen trouve 299 792 ± 3 km/s.
• En 1949, avec un radar, C. I. Aslakson trouve 299 792,4 ± 2,4 km/s. L’incertitude relative donnée passe sous la barre de ±1/125 000, mais l’erreur relative commise sur la valeur moyenne estimée n’est que de 1/5 200 000 !
• En 1958, Keith Davy Froome, avec un radio interféromètre à ondes millimétriques, trouve 299 792,5 ± 0,1 km/s. C’est la meilleure mesure avant l’entrée en scène du laser.
• En 1972, Kenneth Evenson, avec un laser hélium-néon stabilisé, trouve 299 792,4574 ± 0,0011 km/s. La précision a fait un bond d’un facteur 100 !
• En 1975, suite aux plus en plus fréquents changements de la valeur moyenne estimée et d’après les meilleurs résultats expérimentaux obtenus jusqu’alors (dont il reste à vérifier les conditions de reproductibilité), la 15^e Conférence générale des poids et mesures recommande alors dans sa deuxième résolution la valeur de c égale à 299 792 458 m/s et invite ses membres et toute la communauté scientifique à réfléchir sur les différentes possibilités de corrélation avec les autres unités et constantes de référence, et notamment pour la redéfinition et l’étalonnage du mètre et/ou celle de la seconde.
• En 1978, Woods, Shotton et Rowley, avec le même type de laser qu’Evenson mais dans des conditions expérimentales plus strictes, trouvent 299 792,45898 ± 0,0002 km/s, avec la définition encore en vigueur du mètre de 1960. La vitesse de la lumière est maintenant connue avec une meilleure précision que l’ancien mètre étalon !
• En 1983, la 17^e Conférence générale des poids et mesures en prend acte dans sa première résolution et change la définition du mètre :

  « Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 seconde. »

Par cette dernière définition, la communauté scientifique entérine la définition de la vitesse de la lumière dans le vide absolu (un vide théorique car il est seulement approché et simulé dans les modèles expérimentaux actuels) comme une constante universelle, sur laquelle se fondent ensuite toutes les mesures d’espace et de temps.

Elle comporte aussi l’avantage conséquent de ne plus se baser sur les raies spectrales d’éléments atomiques (auparavant une raie du krypton-86 depuis 1960, déjà difficile à purifier et isoler dans des états stables sur des échantillons suffisamment significatifs pour obtenir la précision souhaitée), ce qui élimine en même temps d’une part les sources d’imprécision ou d’incertitude relatives aux variétés isotopiques ou subatomiques (qui influent sur la largeur des raies spectrales encore actuellement mesurées) et d’autre part la nécessité de reproduire plus exactement des conditions de mesure basées sur un modèle expérimental (des conditions qui peuvent désormais évoluer indépendamment de cette définition et s’améliorer en précision à un coût moindre, en fonction des nouvelles découvertes), notamment à l'aide de mesure des fréquences (ou de façon équivalente) de longueurs d’ondes de raies spectrales caractéristiques (qui restent à étudier pour mettre en pratique cette définition).

Cependant, elle présuppose encore l’existence d’un modèle expérimental pour l’établissement de la définition de la seconde, dont dépend alors celle du mètre puisque la vitesse de la lumière dans le vide dont dépend aussi cette définition est maintenant établie comme une constante universelle. C’est tout de même une amélioration du système puisqu’un des deux éléments de variabilité a été éliminé, et aussi parce que c’est dans le domaine de la mesure du temps (ou des fréquences) que les progrès les plus importants ont été obtenus en termes de précision.

Une définition similaire concernant l’unité de masse (ou de façon équivalente de celle d’énergie) pourrait aussi utiliser à terme la définition d’une constante universelle, quand le phénomène de gravitation sera mieux connu et maîtrisé pour mieux préciser la vitesse de la lumière dans un vide non idéal (puisque l’espace et le temps subissent l’influence considérable de la gravitation, ce qui influe sur la vitesse effectivement mesurée de la lumière dans le vide réel toujours observé).