Nous savons tous: le lumière C’est l’entité physique la plus rapide dans la nature. Albert Einstein Il nous a appris que la nature est faite pour que le vitesse légère (c’est-à-dire que la vitesse de propagation d’une onde électromagnétique) dans le vide est la même pour tout le monde et représente une limite insurmontable pour toute entité physique avec son 299.792.458 m / s. Assez pour effectuer 7 ans et demi tourne autour de l’équateur en seulement une seconde, ou pour se rendre sur la lune en 1,28 seconde. Une telle vitesse qui se demande presque: mais comment diable l’ont-ils mesurée? La première mesure de laboratoire de la vitesse la plus élevée possible dans l’univers a eu lieu 1849 avec l’une des plus belles expériences de toute l’histoire de la physique: leExpérience Fizeaudans lequel un faisceau de lumière interagissait avec une roue dentée de rotation. Avec cette méthode simple et brillante, Fizeau a calculé une valeur de 314 000 km / s, étonnamment proche de celle acceptée aujourd’hui.
Avant Fizeau: Galileo et Rømer
Le premier à l’essayer était l’un des inventeurs de la méthode scientifique moderne: Galileo Galilei. Il a pris son assistant et l’a envoyé la nuit avec une lanterne au sommet d’une colline, alors qu’il était avec une autre lanterne au sommet d’une autre colline. Le plan était simple: Galileo découvre sa lanterne, permettant à la lumière de se propager; Dès que le disciple voit la lumière, il découvre que sa lanterne et Galileo enregistrent le temps passé depuis qu’il a découvert la lanterne quand il a vu la lumière de l’assistant. La vitesse est simplement le rapport entre le double de la distance entre les deux lanternes (c’est-à-dire le chemin total fait par la lumière) et le temps mesuré par Galileo.
L’expérience n’était pas concluante, et il n’est pas difficile d’imaginer pourquoi: Les distances étaient trop petites Et les montres de l’époque Trop peu précis Pour mesurer une vitesse aussi élevée, sans parler du fait que les seuls temps de réaction Parmi les deux expérimentateurs, ils étaient beaucoup plus élevés que le temps nécessaire pour éclairer pour faire des allers-retours.
Galileo, cependant, fourni indirectement Les fondations de la première mesure quantitative de la vitesse de la lumière, avec la découverte de Satellites Médiques planète Jupiter. Qu’est-ce que les lunes de Jupiter ont à voir avec la vitesse de la lumière, vous pourriez vous demander. Eh bien, l’astronome danois Ole Rømer Il a découvert dans les années 70 du XVIIe siècle que le moment des éclipses des Giorne Lunes avec la planète elle-même a changé en fonction de la période de l’année au cours de laquelle ces éclipses se sont produites: plus la terre a eu lieu à l’avance autour du soleil de Jupiter, plus les éclipses se sont déroulées « à l’avance ». À l’inverse, lorsque la Terre était plus éloignée de la planète géante, les éclipses ont eu lieu « tard ». En tout, vingt minutes ont dansé. Rømer pensait, à juste titre, que la différence était due au fait que La lumière prend un certain temps pour traverser la taille de l’orbite terrestrec’est-à-dire le double de la distance de la vente terrestre. Eh bien: savoir plus ou moins à quel point la distance terrestre-dimanche et combien ils « retardent » les éclipses des satellites Médicis sur six mois, nous pouvons estimer la vitesse de la lumière. L’astronome danois a obtenu une valeur d’environ 225 000 km / sc’est-à-dire le 20% de moins de la valeur correcte.
L’expérience de Fizeau pour la taille de la vitesse de la lumière
Pour faire le saut qualitatif, cependant, il a fallu une expérience menée sans utiliser les planètes du système solaire mais en laboratoire, avec des mesures précises dans un environnement contrôlé. Mais comment le faire? L’idée est venue au physique français Hyppolite Fizeauet c’était aussi simple que brillant. Le protagoniste absolu de cette expérience – bien qu’en réalité c’était une vaste famille d’expériences – était une Dentata roue dont la vitesse de rotation devait être en mesure d’atteindre des valeurs élevées et d’être régulées de manière très précise.
Prenez la lumière d’une torche puissante ou d’une autre source lumineuse et faites-la fusionner à travers un système d’objectifs pour faire le faisceau lumineux Bien compact et collieny. À ce stade miroir semi-transparent 45 ° incliné. Que signifie semi-transparent? Cela signifie que la lumière passe mais ne la passe pas dans la direction opposée. Nous comprendrons bientôt pourquoi. La lumière traverse ce miroir, dévie de 90 ° et à partir de là se poursuit en ligne droite. Immédiatement après, il rencontre le bord: S’il rencontre une dent, le paquet est passé et ne continue plus, sinon il continue son chemin jusqu’à un miroir que le physique français avait organisé à la beauté de 8 633 km.
Initialement, la roue est ferme et disposée pour que la lumière puisse passer. Le miroir fait son travail: reflète la lumière et la reporte au miroir semi-prolié, qui la permet de passer et la conduit à l’œil de Fizeau, qui autrement n’aurait rien pu voir. Dans cette situation, leIntensité de lumière maximaleparce que toute la lumière émise par la source de lumière remonte.
Maintenant, que se passe-t-il si Nous tournons la roue à des vitesses de plus en plus élevées? Initialement Fizeau en observera un diminution de l’intensité lumineuseparce que toute la lumière ne revient pas: en fait, une partie, pendant le voyage « retour », rencontre les dents de la roue. À mesure que la vitesse de la roue augmente, cependant, une vitesse de rotation spécifique arrive donc Fizeau ne voit plus de lumière. C’est-à-dire qu’aucune lumière ne revient du miroir principal. Cela se produit parce que, à cette vitesse, la lumière traverse la roue dans les vides entre deux dents, affecte le miroir, mais systématiquement lorsqu’il remonte, il affecte la dent après la fissure à partir de laquelle elle est passée et ne peut donc pas atteindre l’œil de Fizeau.
La vitesse d’angle de la roue pour laquelle la lumière disparaît (c’est-à-dire combien de tours il fait en une seconde, pour ainsi dire) est la clé pour mesurer la vitesse de la lumière. Cette vitesse, en fait, nous permet de calculer le temps qui prend un « vide » pour devenir un « plein » dans le bord de la roue. Le calcul est simple: divisez simplement le période de la roue (c’est-à-dire ce qu’il faut pour terminer un tour) pour le double du Nombre de dents de la roue (double car la distance du centre d’une fissure au centre de la dent suivante est la moitié de la distance entre deux dents suivantes). La roue de Fizeau avait une période de 0,08 seconde Et 720 dentsPar conséquent, en effectuant les calculs que nous obtenons:
0,08 seconde / (2,720) ≈ 0,000055 secondes.
Eh bien, une fois cet intervalle de temps, nous prenons le formule de vitesse que nous avons tous étudié à l’école:
Vitesse = distance / temps
La distance est connue: c’est le double de la distance entre la roue et le miroir (le double parce que la lumière doit traverser cette distance sur la première étape et le retour, donc deux fois) et le temps est ce que nous venons de calculer. Nous avons donc:
2 · 8633 mètres / 0,000055 secondes ≈ 314 000 000 mètres par seconde.
avec un gaspillage inférieur du 5% Par rapport à la valeur acceptée (299 792,48 mètres par seconde). UN Résultat certainement impressionnant Compte tenu de la simplicité relative – au moins du point de vue conceptuel – de l’appareil avec lequel la mesure et la simplicité des mathématiques et de la physique requises pour arriver à cette valeur ont été faites!