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Une nouvelle expérience de Michelson

La Nature N°2671 - 13 juin 1925

Mis en ligne par Denis Blaizot le dimanche 26 avril 2009

M. Michelson, le célèbre physicien américain de l’Université de Chicago, vient d’effectuer, en collaboration avec M. Gale, une expérience qui suscitera certainement une grande sensation dans les milieux scientifiques. Nul n’ignore aujourd’hui qu’il y a trente-sept ans, en 1887, M. Michelson réalisait, par des moyens extrêmement précis, une expérience d’optique destinée à mettre en évidence le mouvement de translation de la Terre par rapport à l’espace environnant ; les résultats négatifs de cette expérience ont été, à la grande surprise de son auteur, le point de départ de la révolution scientiifique qui a abouti aux théories relativistes.

En 1887, les physiciens admettaient généralement que la lumière est un phénomène vibratoire transmis par un milieu spécial, l’éther. Une question importante se posait : l’éther est-il immobile dans l’espace et insensible au’ mouvement des corps qui sont plongés dans son sein ? Ou bien est-il entraîné complètement ou partiellement par les corps en mouvement ? Une expérience de Fizeau, répétée maintes fois, démontrait d’une façon péremptoire que l’éther n’est pas entrai né par les corps en mouvement. Il est donc immobile dans l’espace, et constitue un milieu au repos absolu. On doit par suite en conclure la possibilité de mettre en éviidence, par des expériences d’optique sur la Terre qui est animée d’un mouvement de translation et de rotation au milieu de cet éther, l’existence d’un vent d’éther.

L’expérience de Michelson, exécutée pour la première fois en 1882, reprise avec plus de précision en 1887, avait pour objet de déceler le vent d’éther provoqué par la translation de la Terre, vent dont l’existence, en raison : de l’expérience de Fizeau, ne faisait alors aucun doute. A l’étonnement générai, l’expérience de Michelson démontra, d’une façon tout aussi péremptoire, l’absence de tout vent d’éther dû au mouvement de translation de la Terre ; et l’on en devait conclure à l’entraînement total de l’éther.

Comment concilier cette contradiction absolue entre deux expériences, l’une et l’autre irréfutables ? La tâche n’était pas aisée ; elle a provoqué les méditations et les travaux des physiciens et mathématiciens les plus éminents, les Lorentz, les Poincaré, pour aboutir aux théories d’Einstein et de ses adeptes.

La nouvelle expérience de Michelson sera, certes, moins révolutionnaire ; car son résultat pouvait être également prévu par la théorie de l’éther au repos absolu, ou par celle de la relativité généralisée. Elle ne renverse donc rien ; mais elle est remarquable par la petitesse de l’effet à mettre en évidence ; elle met en relief une fois de plus l’habileté expérimentale des physiciens qui ont pu la réaliser, malgré les difficultés à vaincre.

Voici, d’après une brève communication de MM. Michelson et Gale, dans notre confrère anglais Nature, le dispositif employé.

Une série de tuyaux, de 0 m. 30 de diamètre, sont disposés horizontalement sur le sol et y dessinent un circuit rectangulaire de 603 m. de long sur 334 m. de large. Pour éviter toutes perturbations dues aux mouvements de l’air et aux différences de température, la pression de l’air dans les tuyaux était réduite-à 1/4 de centimètre au moyen d’une pompe de 50 chevaux. L’une des extrémités du circuit est double comme le montre la figure 1. En A, un faisceau lumineux issu d’une lampe à arc est divisé par une lame à faces planes parallèles à 45°, légèrement dorée, en deux faisceaux qui grâce à un jeu de lames à 45° parcourent le circuit l’un dans le sens des aiguilles d’une montre, l’autre en sens inverse.

Admettons que l’éther soit au repos absolu, et la Terre immobile autour de son axe. Les deux faisceaux circulant en sens inverse, décrivent dans l’éther des trajets rigoureusement égaux ; mais, par suite du nombre de réflexions différent pour les deux circuits, les phases des vibrations sont modifiées, et diffèrent d’un circuit à l’autre ; des interférences doivent se produire et donner naissance à des franges dont on peut calculer l’espacement. Mais la Terre tourne autour de son axe, d’un tour en 24 heures ; elle entraîne les tuyaux et les lames réfléchissantes ; ceux-ci vont à la rencontre des rayons lumineux qui se propagent dans le sens des aiguilles d’une montre, s’éloignent au contraire des rayons qui vont en sens inverse. Le parcours des deux faisceaux, par rapport au système des lames réfléchissantes, cesse donc d’être le même, d’où un déplacement des franges d’interférence que l’on peut calculer.

Si C désigne la vitesse de la lumière, \omega la vitesse angulaire de la Terre, \theta la latitude du lieu de l’expérience \lambda la longueur d’onde de la lumière employée, et S la surface comprise à l’intérieur du rectangle formé par les axes des tuyaux, ce déplaacement exprimé cu nombre de franges est donné par la formule D = \frac{4S\omega sin \theta}{\lambda C}

Dans les conditions où se trouvaient placés MM. Michelson et Gale, le calcul montre qu’ils devaient observer un déplacement de 0,256 de frange. Ils ont trouvé comme moyenne de 269 observations le chiffre de 0,230 qui représente un accord très satisfaisant entre le calcul et l’expérience : le résultat vérifie donc complètement la formule employée, formule très facile à établir dans l’hypothèse de l’éther immobile, mais qui peut se déduire aussi de la théorie de la relativité généralisée.

L’expérience de MM Michelson et Gale est identique, en principe, à l’expérience réalisée par M. Sagnac, à Paris, il y a plusieurs années, et donne les mêmes résultats. Mais l’expérience de Sagnac portait sur un système de rotation animé d’une vitesse angulaire de 2 tours par seconde, c’est-à-dire tournant 172 800 fois plus vite que la Terre ; ceci suffit à mettre en évidence l’extraordinaire habileté des physiciens américains.

Ainsi, alors que l’on ne peut mettre en évidence le vent d’éther dû à la translation de la Terre, on peut, au contraire, déceler celui qui provient de sa rotation.

M. J .-M. Jeans, l’éminent physicien de Cambridge, tire les conséquences suivantes de l’expérience de Michelson.

La formule employée pour calculer, a priori, le déplacement des franges suppose essentiellement que la vitesse de la lumière dans l’espace est rigoureusement la même pour les deux faisceaux interférents.

Donc, indépendamment de toute hypothèse sur l’éther, l’expérience semble prouver que la vitesse de la lumière dans l’espace reste la même, que la lumière se propage dans le sens de la rotation de la Terre ou en sens inverse. Ce qui est d’accord avec la théorie de la relativité.

La première expérience de Michelson pouvait recevoir trois explications :

a) Il n’y a pas d’éther ; b) il y a un éther qui accompagne la Terre dans son mouvement ; c) il y a un éther, immobile dans l’espace ; les corps qui se meuvent dans son sein subissent une contraction dont la valeur est donnée par la formule de Lorentz, Fritz Gérald.

La nouvelle expérience de Michelson et Gale, comme celle de Sagnac, force à rejeter l’hypothèse b. Il reste à choisir entre les interprétations a et c ; et l’expérience n’a pas encore fourni de raisons décisives pour préférer l’une à l’autre.

A. T.