Photographie/Optique/La vitesse de la lumière
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Bibliographie
■ préface - SOMMAIRE COMPLET ■ notions fondamentales et conseils pour les débutants ■ aspects esthétiques, thèmes photographiques ■ références scientifiques ■ photométrie, colorimétrie, optique ■ appareils, objectifs, éclairage, accessoires, entretien ■ procédés chimiques ■ procédés numériques ■ caractéristiques physiques des images, densité, netteté ■ compléments techniques et pratiques ■ photographie et vie sociale, histoire, enseignement,institutions, droit... | |||||
Galilée semble avoir imaginé le premier que le lumière ne se déplaçait pas de façon instantanée. Il a décrit une expérience destinée à en évaluer la vitesse, à l'aide de lanternes disposées sur deux collines des environs de Florence.
Premières mesures indirectes
modifierLa première détermination de cette vitesse a eu lieu à l'Observatoire de Paris en 1676. En étudiant les mouvements des satellites de Jupiter, l'astronome danois Ole Rømer remarqua des différences entre ses observations et les études théoriques, différences qu'il attribua à la distance entre la Terre et Jupiter. À partir des valeurs connues du diamètre de l'orbite terrestre et de la distance de Jupiter, il trouva 225 000 km/s. Ole Rømer est aussi l'inventeur de la lunette méridienne. Ce résultat fut affiné en 1725 par l'astronome anglais James Bradley grâce au phénomène appelé « aberration des étoiles ».
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Ole Rømer -
James Bradley
L'expérience de Fizeau
modifierHippolyte Fizeau (1819-1896), alors âgé d'à peine 20 ans, améliora la technique du daguerréotype. Il réalisa en 1849, entre le Mont Valérien à Suresnes et la butte de Montmartre, la première mesure terrestre de la vitesse de la lumière. Son système, conservé à l'École Polytechnique, comporte un disque muni de 720 dents et deux miroirs, dont un semi-réfléchissant. La lumière réfléchie par le premier miroir traverse une échancrure de la roue, se réfléchit sur le second miroir et revient à l'observateur après avoir parcouru deux fois les 8633 m du trajet. L'appareillage, dont le principe est donné ci-dessous, comporte aussi deux lunettes permettant l'aller et le retour de la lumière.
Si on tourne très lentement la roue, la lumière qui passe par une échancrure a le temps de revenir par le même chemin. Dans l’oculaire, on observe alors un clignotement, la lumière apparaît et disparaît alternativement selon que les dents lui font obstacle ou non.
Si on accélère quelque peu la rotation, le clignotement disparaît à cause de la persistance rétinienne et l'on ne perçoit plus qu'une lumière continue. C'est ce même phénomène qui fait qu'au cinéma les mouvements semblent continus alors que la rétine perçoit, à chaque seconde, 24 images successives séparées par des « trous noirs » pendant lesquels le film avance brutalement.
Si la roue tourne suffisamment vite, le faisceau parti par une échancrure trouve au retour une dent qui lui ferme le passage. En mesurant la vitesse de rotation pour laquelle cela se produit (12,6 tours par seconde) et la distance parcourue par la lumière pendant un aller-retour (17 266 m), on calcule facilement la vitesse de la lumière :
En une seconde, le nombre de dents qui défilent devant un point fixe est 12,6 x 720 = 9072 Le temps de passage d'une dent à un creux est donc 1 / 18 144 = 0,000551 seconde. En une seconde la lumière parcourt donc 18 144 fois la distance Suresnes-Montmartre aller-retour, soit finalement : 18 144 x 17 266 = 313 000 000 m
Fizeau trouva environ 315 000 km/s. Cette valeur était relativement imprécise, à cause de la difficulté de mesurer avec précision la vitesse de rotation de la roue qui correspond exactement à l'extinction du faisceau lumineux.
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Hippolyte Fizeau -
Léon Foucault
En 1862, partant du même principe mais en utilisant un miroir tournant à 24 000 tours/min, Léon Foucault réussit à obtenir une valeur beaucoup plus précise que celle de Fizeau, dans l'enceinte même de l'Observatoire de Paris. On sut alors que la vitesse de la lumière était légèrement inférieure à 300 000 km/s.
Michelson et Morley révolutionnent la physique !
modifierEn 1878, avec un montage que l'on pourrait qualifier d'assez rudimentaire, Albert Abraham Michelson et Edward William Morley ont obtenu une valeur bien meilleure encore : 299 853 km/s à 50 km/s près.
Le principe de leur expérience est décrit dans l'article Expérience de Michelson-Morley. La lumière émise par une lampe A est divisée en deux parties par une lame semi-réfléchissante B renvoyées à leur tour vers l'œil de l'observateur par deux miroirs C. Les figures d'interférences formées à la sortie de l'appareil auraient dû être influencées par la vitesse propre de la Terre mais l'expérience a montré qu'il n'en était rien !
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Figures d'interférences fournies par l'interféromètre -
Une version moderne de l'interféromètre
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Albert Abraham Michelson -
Edward Williams Morley
En fait, Michelson et Morley, par leur expérience, ont fait voler en éclats toute la physique du XIXe siècle ! En voulant tenir compte de la vitesse de la terre pour corriger leurs mesures, ils se sont aperçu non sans surprise que la vitesse de la lumière était la même dans toutes les directions et dans tous les espaces, que ceux-ci soient mobiles ou non. Donc, lorsque l'on se déplace dans le sens de la lumière, les distances se contractent, ou alors le temps se dilate ... La théorie de la relativité, développée un peu plus tard par Einstein, interprète ce phénomène pour le moins déroutant.
Données modernes
modifierDans le vide, toutes les ondes électromagnétiques se déplacent avec la même célérité, qui vaut approximativement c = 300 000 km/s. C'est toujours cette valeur que l'on évoque en parlant, sans autre précision, de la « vitesse de la lumière ». Il s'agit là d'une constante universelle que l'on cherche toujours à mesurer avec le plus de précision possible. On est arrivé à c = 299 792 458 m/s.
La lumière se déplace plus rapidement dans le vide que dans tous les milieux matériels transparents, que ces derniers soient gazeux, liquides ou solides. On trouve ainsi :
- dans l'air : environ 299 780 km/s, on ne peut pas donner de valeur plus précise car cette vitesse varie selon la pression et l'humidité ; la différence avec la vitesse dans le vide est très petite (0,03 %) et on n'en tient généralement pas compte, sauf dans quelques cas particuliers qui seront envisagés ultérieurement.
- dans l'eau : elle vaut à peu près 3/4 de la vitesse dans le vide, soit environ 225 000 km/s.
- dans le verre « ordinaire » : on ne fait pas de grosse erreur en admettant qu'elle est proche des 2/3 de la vitesse dans le vide, donc en adoptant la valeur 200 000 km/s.
- dans les verres d'optique on peut admettre une gamme de vitesses allant grosso modo de 215 000 à 170 000 km/s, selon la composition.
- dans le diamant : ce matériau est exceptionnel par ses qualités optiques, la lumière s'y déplace moins vite que dans tous les autres matériaux usuels : 125 000 km/s « seulement », il en résulte des propriétés très particulières.
Ces valeurs varient aussi en fonction de la longueur d'onde, donc de la couleur. En traversant un milieu matériel, le bleu et le violet sont plus ralentis que le rouge.
En 1983, compte tenu des progrès accomplis dans la précision des mesures, la vitesse de la lumière a été choisie pour établir une nouvelle définition du mètre.
Après avoir été d'abord déterminé à partir de la longueur du méridien terrestre, puis en 1889 à partir du prototype international en platine, le mètre avait été redéfini en 1960 comme étant égal à 1 650 763,73 fois la longueur d'onde dans le vide d'une radiation orangée de l'atome de krypton 86. Il est désormais défini comme « la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant 1/299 792 458 seconde ».