Comment a-t-on mesuré la vitesse de la lumière pour la première fois ?
― Une lune de Jupiter est apparue en retard sur l'horaire prévu
La lumière va si vite qu'elle pourrait faire sept fois et demie le tour de la Terre en une seconde. Si vite que, pendant longtemps, les expériences terrestres ne laissaient penser qu'à un trajet instantané. Ce n'est pas un dispositif au sol qui a permis de capter la vitesse de la lumière pour la première fois, mais le « retard » d'une petite lune tournant autour de Jupiter, très loin dans le ciel.
Un soir d'été, un feu d'artifice explose au loin. La lumière apparaît d'un coup, mais le « boum » n'arrive que quelques secondes plus tard. Tout le monde sait, dans son corps, que le son a une vitesse.
Et la lumière, alors ? Entre l'instant où le feu d'artifice explose et celui où l'image atteint nos yeux, y a-t-il un écart ? À l'œil, on ne peut absolument pas le dire.
Il y a environ 350 ans, la plupart des savants pensaient encore que « la lumière arrive instantanément ». C'est un astronome qui a renversé cette idée, en observant Jupiter au télescope, jour après jour.
La clé, c'était de combiner deux éléments
Io, la lune la plus proche de Jupiter, entre dans l'ombre de la planète puis en ressort environ toutes les 42,5 heures. Ce cycle se répète à intervalles presque parfaitement réguliers.
La Terre fait le tour du Soleil en un an. Lorsqu'elle se trouve du côté opposé à Jupiter, l'heure de sortie d'Io hors de l'ombre semble retardée par rapport à la prévision. Ce n'est pas Io qui retardait, mais l'arrivée de la lumière.
En somme, pour un même événement, plus on est loin, plus la « nouvelle » met de temps à arriver. En mesurant l'ampleur de ce retard, on peut calculer la vitesse de la lumière.
Io, une horloge précise suspendue dans le ciel
Les quatre grandes lunes de Jupiter ont été découvertes au télescope par Galilée en 1610. Io, la plus proche de Jupiter, en fait le tour en moins de deux jours. À chaque révolution, elle entre dans l'ombre projetée par Jupiter, puis en ressort peu après.
L'heure de cette « éclipse » est la même, quel que soit l'endroit de la Terre d'où on l'observe. À l'époque, ce phénomène servait donc d'horloge pour déterminer sa longitude, en mer comme sur terre. On raconte que l'Observatoire de Paris avait établi des tables prédisant l'heure des éclipses d'Io.
Mais au fil des années d'observation, un problème est apparu : l'écart entre l'heure prévue et l'heure réelle variait selon la saison. Quand la Terre était proche de Jupiter, l'éclipse semblait un peu en avance ; quand elle en était loin, un peu en retard.
Pourquoi l'horloge retardait-elle quand la Terre s'éloignait ?
C'est Ole Rømer, astronome danois travaillant à l'Observatoire de Paris, qui s'est attaqué de front à cet écart. En 1676, il aurait annoncé par avance que « l'éclipse d'Io de novembre de cette année-là aura environ 10 minutes de retard sur la prévision ». Et l'observation s'est révélée proche de son annonce.
La raison apparaît clairement sur la figure 1. Quand la Terre est proche de Jupiter, la lumière venant d'Io parcourt un court trajet. Environ six mois plus tard, quand la Terre est passée du côté opposé du Soleil, la lumière doit parcourir un trajet supplémentaire égal au diamètre de l'orbite terrestre.
La lumière émise au moment où Io sort de l'ombre parcourt un trajet plus long lorsque la Terre est du côté éloigné, avant d'atteindre nos yeux. C'est pourquoi l'éclipse semble retardée. On rapporte que Rømer avait estimé à environ 22 minutes le temps que met la lumière à traverser l'orbite terrestre. La valeur actuelle est d'environ 16 minutes 40 secondes : un chiffre étonnamment proche pour une première mesure.
Pourquoi les expériences au sol n'avaient-elles rien révélé ?
On raconte que Galilée avait tenté de mesurer le temps d'aller-retour de la lumière en faisant ouvrir et fermer des lanternes par deux personnes postées sur des collines éloignées. Mais aucun retard n'a pu être détecté. Le temps que met la lumière à parcourir 1 km est inférieur au cent-millième de seconde. Le temps de réaction humain était des milliers de fois plus grand que cela.
La méthode de Rømer a fonctionné parce qu'il a porté la distance à l'échelle de l'univers. Le diamètre de l'orbite terrestre est d'environ 300 millions de km. Sur une distance aussi grande, même la lumière met plusieurs minutes. Une horloge à balancier de l'époque suffisait alors à la mesurer.
Autre astuce : « accumuler » le retard pour le rendre visible. Pendant qu'Io fait un tour, la distance dont la Terre s'éloigne ne représente, pour la lumière, qu'une différence d'environ 15 secondes. Mais en cumulant des dizaines de tours, cela devient un écart net de plus de 10 minutes.
On dit que Cassini, directeur de l'Observatoire de Paris, n'a jamais vraiment accepté d'expliquer cet écart par la vitesse de la lumière. Ce n'est qu'environ 50 ans plus tard, en 1728, que l'existence d'une vitesse de la lumière a été largement reconnue. L'Anglais Bradley découvrit alors un autre phénomène, « l'aberration de la lumière » — un léger décalage annuel dans la direction apparente des étoiles — et parvint à la même conclusion.
En résumé
La lumière n'arrive pas instantanément : elle se déplace à une vitesse déterminée. La première preuve en fut l'observation que l'éclipse d'Io, la lune de Jupiter, semblait d'autant plus retardée que la Terre était loin. En étirant le trajet de la lumière — bien trop court au sol — jusqu'à l'échelle de l'orbite terrestre, Rømer a transformé un retard invisible en retard visible.
La lumière n'était pas instantanée.
C'est une lune de Jupiter arrivée en retard qui nous l'a appris.
L'histoire de la mesure de la taille de la Terre grâce à une ombre, il y a 2200 ans, est racontée dans « Comment a-t-on mesuré la taille de la Terre ? », et celle de la mesure de la distance de la Lune par l'aller-retour de la lumière dans « La Lune, à quelle distance est-elle vraiment ? ».
- Quand Jupiter est visible dans le ciel nocturne, fixez des jumelles sur un trépied et observez-la. Vous verrez, juste à côté de Jupiter, de petits points lumineux alignés. Ce sont les quatre lunes découvertes par Galilée.
- Dessinez leur position sur papier tous les quelques jours. Le point le plus proche de Jupiter change le plus de position : c'est Io.
- Consultez l'heure prévue d'une « éclipse d'Io » dans un logiciel ou une application d'astronomie, puis observez-la avec un petit télescope. Voir le point apparaître soudainement à l'heure prévue, c'est revivre exactement ce que Rømer a vu.
La période de visibilité de Jupiter varie selon les années : vérifiez-la sur le site des informations astronomiques de l'Observatoire national d'astronomie du Japon, par exemple. Les prévisions actuelles intègrent déjà le retard de la lumière dans leur calcul, donc l'écart ne se voit plus : c'est justement la preuve que la découverte de Rømer est toujours utilisée aujourd'hui.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, chaque niveau est indiqué
- Collègeniveau des sciences au collège
- Lycéeniveau des matières « Physique » et « Sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+contenu d'approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Universitécontenu non enseigné au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (astronomie, électromagnétisme, métrologie)
- Recherchesujet encore débattu par les chercheurs, non enseigné même à l'université comme « établi »
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Vitesse de la lumière : vitesse à laquelle la lumière se déplace dans le vide. Environ 300 000 km par seconde.
- Éclipse d'un satellite : moment où une lune (satellite) s'assombrit en entrant dans l'ombre de la planète qu'elle orbite. Pour Io, cela se produit environ toutes les 42,5 heures.
- Unité astronomique : distance moyenne entre la Terre et le Soleil. Environ 150 millions de km. La lumière la parcourt en environ 8 minutes 20 secondes.
CollègeLycéeVérification par le calcul : déduire la vitesse de la lumière à partir du retard d'Io
Entre le côté proche et le côté éloigné, l'écart de trajet parcouru par la lumière correspond au diamètre de l'orbite terrestre. Le temps mis pour parcourir cet écart, c'est le retard de l'éclipse.
| En symboles | c = Δd ÷ Δt |
| En mots | Vitesse de la lumière = trajet supplémentaire parcouru ÷ temps supplémentaire mis (retard de l'éclipse) |
| D'où vient cette formule | « Vitesse = distance ÷ temps ». Si la lumière se déplace à vitesse constante, l'écart de distance se traduit directement en écart d'heure d'arrivée |
Voici le sens des symboles et leurs unités.
| c | Vitesse de la lumière (km/s) |
| Δd | Écart de trajet de la lumière entre le côté proche et le côté éloigné (km). Ici, le diamètre de l'orbite terrestre |
| Δt | Retard apparent de l'éclipse causé par cet écart (secondes) |
| Distance Terre-Soleil (rayon) | environ 150 000 000 km |
| Retard pour traverser l'orbite (valeur actuelle) | environ 1000 s (environ 16 min 40 s) |
| Retard estimé par Rømer | environ 22 min, selon les sources |
| Durée d'un tour d'Io | environ 42,5 heures |
| Vitesse orbitale de la Terre | environ 30 km/s |
| Écart de trajet (diamètre) | 150 000 000 × 2 = 300 000 000 km |
| Vitesse de la lumière (avec le retard actuel) | 300 000 000 ÷ 1000 = 300 000 km/s |
| Les 22 min de Rømer en secondes | 22 × 60 = 1320 s |
| Vitesse de la lumière (avec les 22 min) | 300 000 000 ÷ 1320 ≒ 227 000 km/s |
| Un tour d'Io en secondes | 42,5 × 3600 = 153 000 s |
| Distance maximale dont la Terre s'éloigne pendant ce temps | 30 × 153 000 = 4 590 000 km |
| Retard par tour | 4 590 000 ÷ 300 000 ≒ 15,3 s |
On obtient une vitesse de la lumière d'environ 300 000 km/s. Même l'estimation de 22 minutes de l'époque atteignait le bon ordre de grandeur, autour de 200 000 km/s. Le retard par tour, environ 15 secondes, est un écart tout juste mesurable avec une horloge à balancier. La clé du succès a été de cumuler des dizaines de tours pour obtenir un retard dépassant 10 minutes.
LycéeLycée+Comment la vitesse de la lumière a-t-elle été mesurée ensuite ?
LycéeAu lycée, on apprend en physique que la lumière est une onde électromagnétique dont la vitesse dans le vide est d'environ 3,0×10⁸ m/s. La formule de cet article est la même que celle utilisée pour la vitesse du son : « vitesse = distance ÷ temps ». Seule différence : l'ordre de grandeur de la distance, ici à l'échelle de l'univers.
Lycée+En 1728, Bradley découvrit « l'aberration de la lumière ». Comme la pluie semble tomber de face quand on court sous l'averse, le rapport entre la vitesse de révolution de la Terre et la vitesse de la lumière fait dévier la direction apparente des étoiles. En 1849, Fizeau fit passer la lumière dans les intervalles d'une roue dentée en rotation pour un aller-retour, et réalisa ainsi la première mesure terrestre de la vitesse de la lumière.
UniversitéAujourd'hui, la vitesse de la lumière n'est plus « une chose à mesurer »
Depuis 1983, la vitesse de la lumière dans le vide est définie comme valant exactement 299 792 458 m/s : ce n'est plus une valeur mesurée. Le mètre, unité de longueur, est défini comme la distance parcourue par la lumière en un tel fraction de seconde. Le retard de l'éclipse d'Io observé par Rømer, lui, est appelé en astronomie « effet de temps de lumière » (light-time effect), et il est encore utilisé aujourd'hui dans l'observation des étoiles doubles et des exoplanètes : un décalage périodique de l'heure d'éclipse d'une étoile permet de détecter un compagnon invisible.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Vitesse de la lumière (Wikipédia, japonais) ／ Aberration de la lumière (Wikipédia, japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore totalement établi
- Rømer lui-même a-t-il calculé une valeur numérique de la vitesse de la lumière ? C'est semble-t-il Huygens, un contemporain, qui a converti le retard de 22 minutes en une vitesse exprimée en km/s. La plupart des documents originaux de Rømer ont été détruits dans un incendie, et les historiens des sciences débattent encore de l'étendue exacte de ses propres calculs.
- Jusqu'où peut-on détecter des astres invisibles grâce aux décalages d'heure d'éclipse ? Des recherches tentent de déduire l'existence d'une troisième étoile ou d'une planète à partir d'infimes décalages dans l'heure des éclipses. Mais il est difficile de distinguer ces décalages de ceux causés par l'activité propre de l'étoile, et certains astres ainsi « découverts » restent encore à confirmer.
- La vitesse de la lumière est-elle vraiment partout identique ? L'invariance de la vitesse de la lumière selon la direction ou l'énergie a été vérifiée avec une très haute précision. Des vérifications encore plus fines continuent néanmoins, notamment à l'aide de la lumière provenant des confins de l'univers.
Le contenu de cet article n'est donc lui aussi qu'une « explication selon l'état actuel des connaissances ». Ce petit retard observé il y a 350 ans continue aujourd'hui d'être un outil pour explorer l'univers.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Lumière et son／Système solaire et planètes | Décalage entre la lumière et le son d'un feu d'artifice, positions de la Terre et de Jupiter |
| Lycée | Physique・Ondes (vitesse de la lumière)／Sciences de la Terre・Mouvement des planètes | Calcul de la vitesse de la lumière par « vitesse = distance ÷ temps » |
| Lycée+ | Approfondissement physique・Histoire de la mesure de la vitesse de la lumière | Aberration de la lumière de Bradley, roue dentée de Fizeau |
| Université | Astronomie・Métrologie (définition des unités) | Définition de la longueur par la vitesse de la lumière, effet de temps de lumière |
| Recherche | Histoire des sciences／Observation des étoiles doubles et exoplanètes | Documents originaux de Rømer, recherche d'astres par décalage d'heure d'éclipse |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | La mesure de position par ondes satellites repose sur le fait que la vitesse de la lumière est fixe |
- Wikipédia « Vitesse de la lumière » (光速)
- Wikipédia « Ole Rømer » (オーレ・レーマー)
- Wikipédia « Aberration de la lumière » (光行差)
- I. B. Cohen, "Roemer and the First Determination of the Velocity of Light (1676)", Isis, 31 (1940)
- Observatoire national d'astronomie du Japon (éd.), Rika Nenpyō (Almanach scientifique), Maruzen Publishing (国立天文台編『理科年表』丸善出版) (vitesse de la lumière, unité astronomique, éléments orbitaux des planètes)
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Les dates et chiffres des événements historiques peuvent varier légèrement selon les sources.