Expérience de Michelson-Morley

Lumière
mardi 6 novembre 2007
par  Jean-Pierre Trang
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"Albert A. Michelson et Edward Morley ont mené une expérience de mesure de la différence de vitesse de la lumière entre deux directions perpendiculaires et à deux périodes espacées de 6 mois.

En fait, c’est toute une série d’expériences entre 1881 (Michelson seul) et 1887 (ensemble), date à laquelle le résultat est définitivement admis : l’éther n’existe pas. Cela montre aussi que la vitesse de la lumière est la même dans toutes les directions.

C’est dans l’histoire de la physique une des plus importantes et une des plus célèbres expériences." (© Wikipédia)

Introduction :

Au 19e siècle, les théories de la physique disaient que, tout comme les ondes ont besoin d’un milieu pour se propager, la lumière devait forcément avoir besoin de quelque chose pour se déplacer, et ce quelque chose, les scientifiques l’appelèrent "éther". Puisque la lumière peut se déplacer dans le vide, ce dernier contiendrait donc ce fameux éther. L’expérience de Michelson-Morley essayera de mettre en évidence l’existence de ce milieu.

But de l’expérience :

"Cette expérience a été conçue par Albert Abraham Michelson pour mesurer la vitesse de la lumière dans son support supposé (l’éther) et en se basant sur la loi classique d’addition des vitesses. Il est apparu que la terre sur son orbite avec une vitesse d’environ 30 km/s était le laboratoire idéal pour déceler une variation de la vitesse de la lumière sur des parcours identiques en longueur mais qui devaient être différents en temps selon qu’ils seraient dans le sens du mouvement ou perpendiculairement au vent d’éther." (© Wikipédia)

Matériel expérimental utilisé par Michelson-Morley :


"Ce schéma vient de l’article original. La source lumineuse est en s, la ligne à 45 degrés est le miroir semi-argenté, b et c sont des miroirs et d , l’observateur.

La grande idée de Michelson fut de construire une course exactement semblable pour des impulsions lumineuses, avec le vent d’éther dans le rôle de la rivière. Le schéma de l’expérience est le suivant : une impulsion lumineuse est envoyée directement avec un angle de 45 degrés sur une lame semi-argentée - constituant un miroir semi-transparent - de façon à ce que la moitié de l’impulsion la traverse et que l’autre moitié est réfléchie. Ces deux demi- impulsions sont les deux nageurs, elles se déplacent toutes deux vers des miroirs distants qui les réfléchissent vers la lame semi-transparente. A cet endroit elles sont à nouveau à moitié transmises et à moitié réfléchies, mais une lunette est placée derrière la lame semi- transparente comme indiqué sur la figure, ainsi la moitié de chacune des demi-impulsions arrivera dans la lunette. Maintenant si il existe un vent d’éther, quelqu’un regardant dans la lunette verra des franges d’interférence car les implusions arrivent à des moments légèrement différents. Pour maximiser cet effet , l’ensemble de l’appareillage, y compris les miroirs distants, était placé sur une grande table orientable, de façon à ce que l’on puisse le faire tourner." (© M. Fowler)

En résumé, on a donc ceci :

- source lumineuse
- lame semi-argentée
- miroirs

Mise en parallèle avec d’autres expériences :

"Une comparaison célèbre avec le nageur faisant un aller retour en rivière ayant un courant v permet de comprendre la démarche de Michelson :

  • un aller et retour dans le sens de la rivière avec comme temps
        • t= $\frac {L}{c-v} + \frac {L}{c+v}$
  • ou un aller retour en traversant la rivière avec
        • t’= $2\frac {L}{\sqrt{c^2-v^2}}$

L’écart entre ces deux temps devait permettre d’avoir un retard de phase ou déphasage et donc des franges d’interférences qui devaient se déplacer si l’on tournait l’ensemble de l’interféromètre de façon à intervertir les deux trajets."

(© Wikipédia)

Nous pouvons en outre comparer cette expérience à celle du Vol dans la direction du vent et perpendiculaire au vent. (Article sur le site OWL)

"a) Un avion se déplace à la vitesse c par rapport à l’air. Il va d’un point A à un point B situés à terre et distants de L/2. Un fort vent souffle de B vers A à la vitesse v.

b) Le même avion fait maintenant le trajet ACA. La distance entre A et C est identique à la distance entre A et B mais la droite AC est perpendiculaire à la droite AB. "

L’exemple du nageur est très similaire à celui de l’avion, il n’est donc pas très difficile de voir le pourquoi de ces comparaisons.

Estimation de la différence maximale du temps de parcours de la lumière dans l’expérience :

Prenons comme données ces valeurs :

  • Distance L = 22 mètres
  • vitesse de la lumière c = 3*10^8 mètres par seconde
  • vitesse du vent d’éther v = 3*10^4 mètres par seconde

Pour calculer cette différence maximale, il suffit d’appliquer une des deux formules de la différence de temps :

  • $\Delta t = \frac{L}{c} \frac{1}{1-\frac{v^2}{c^2}}-\frac{L}{c}\frac{1}{\sqrt{{1-\frac{v^2}{c^2}}}} =3.7*10^{-16}s$

ou

  • $\Delta t = \frac{L}{2c}\frac{v^2}{c^2}= 3.7*10^{-16}s$

Conclusion :

"Cette expérience est sans doute la plus célèbre des expériences négatives (donnant un résultat contraire à ce qui était recherché). Plusieurs tentatives d’explications classiques échouèrent et c’est Ernst Mach qui le premier émit l’hypothèse qu’il fallait rejeter le concept d’éther.

Parallèlement, des progrès théoriques permettaient, par la contraction des longueurs de Fitzgerald-Lorentz, d’expliquer le résultat expérimental, mais c’est finalement ce qui est devenu la relativité restreinte d’Einstein postulant l’invariance de c qui a permis d’expliquer l’étonnant résultat de Michelson et Morley." (© Wikipédia)

Pour terminer, je citerai une phrase qui est partagée par l’ensemble de la communauté des physiciens : "Il est impossible, au moyen d’une expérience de physique interne à un système de référence en mouvement rectiligne uniforme, de détecter le mouvement de ce système. La relativité d’Einstein permit de rendre compte élégamment du résultat négatif des tentatives de détection du mouvement."

Et une autre de Galilée : "Le mouvement est comme rien".


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