Éther luminifère
Cleveland, juillet 1887. Michelson et Morley posent une dalle de pierre sur un bain de mercure, y installent des miroirs et la font tourner lentement. La Terre file autour du Soleil à 30 km/s et, si la lumière est une onde dans un éther immobile, le vent d’éther de face doit déplacer les franges dans l’oculaire de 0,4 frange. Ils attendaient ce déplacement. Il n’est jamais venu.
On a inventé l’éther parce qu’une onde a besoin d’un milieu. Le son se propage dans l’air, une vague dans l’eau — la lumière doit donc se propager dans quelque chose qui remplit le vide. L’éther devait être plus rigide que l’acier pour porter des ondes aussi rapides, sans pour autant gêner les planètes. L’expérience de 1887 a montré que la lumière se déplace de la même façon dans toutes les directions, quel que soit le mouvement de la Terre. En 1905, Einstein en a fait une loi, et l’éther est devenu inutile.
| Notation | aether · luminiferous aether · sans symbole |
| Comment on l’a cherché | par la vitesse de la Terre à travers l’éther — le déplacement des franges d’interférence |
| Ce qu’on supposait | milieu immobile · la vitesse de la lumière dépend du mouvement de l’observateur |
| Introduction et abandon | Huygens, 1690 · Fresnel, 1818 · Michelson et Morley, 1887 · Einstein, 1905 |
| Notation actuelle | c = 299 792 458 m/s exactement, depuis 1983 — par la définition du mètre |
| Valeurs typiques | 0,37 frange — attendu en 1887 · moins de 0,01 — observé · 10⁻¹⁷ — précision aujourd’hui |
01 · Définition
Le milieu où court la lumière
Si la lumière est une onde dans l’éther, elle a une vitesse par rapport à l’éther, c. Un observateur qui traverse l’éther devrait voir la lumière plus rapide quand elle vient à sa rencontre et plus lente quand il la poursuit. La Terre file autour du Soleil à 30 km/s — un dix-millième de c. C’est cette différence qu’on cherchait à saisir.
Une telle correction ne se mesure pas directement : elle est trop petite. Michelson compara deux trajets de la lumière : dans le sens du vent et en travers. Comme un nageur qui fait l’aller-retour le long d’une rivière, puis en travers : dans le sens du courant, c’est plus long. La différence est le carré d’un petit rapport, (v/c)² = 10⁻⁸. L’interférence la rend visible : un décalage d’une fraction de longueur d’onde déplace les franges claires.
Qui revient le premier
Une rivière de largeur L coule de gauche à droite ; les flèches lilas figurent le courant. Deux nageurs nagent à la même vitesse c : le doré le long de la rivière, aller et retour, le bleu clair en travers, jusqu’à l’autre rive et retour. Les barres en bas sont leurs temps de parcours. Le nageur qui traverse revient toujours le premier. De même, un faisceau en travers du vent d’éther aurait dû devancer un faisceau dans le sens du vent.
Tourner la dalle et regarder dans l’oculaire
Il n’y a qu’une action principale — le bouton « Tourner la dalle ». La dalle de pierre flotte sur le mercure et tourne lentement. Au centre, on la voit d’en haut : une lampe dorée, des faisceaux bleu clair qui vont aux miroirs au bout des bras, 16 réflexions chacun, 11 m de trajet en tout. Les traits lilas figurent le vent d’éther ; sa vitesse se règle avec le curseur. À droite, l’oculaire : franges claires et sombres. Si l’éther existe, les franges doivent osciller pendant que la dalle tourne. Sous l’oculaire, un graphique : la courbe lilas est le déplacement prévu par la théorie de l’éther, les points dorés ce qu’on observe réellement. Le commutateur « Monde avec éther / Monde de 1887 » montre les deux réponses.
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02 · Conversion
L’éther n’avait pas d’unité : on convertit donc la vitesse que l’on cherchait. Le déplacement des franges dans l’interféromètre croît comme β², le carré de la fraction de la vitesse de la lumière. La vitesse orbitale de la Terre donne β = 10⁻⁴, β² = 10⁻⁸.
Aujourd’hui, aucune vitesse ne se mesure « par rapport à l’éther ». Il n’y a que le mouvement par rapport au fond diffus cosmologique : le Soleil le traverse à 370 km/s, mais c’est un mouvement observé, pas le vent d’un milieu.
| {n} | {v} | {note} |
03 · Ordres de grandeur
04 · Instruments de mesure
05 · Règles d’écriture
06 · Unités voisines
Le phlogistique a disparu sans laisser de trace, le calorique a laissé la calorie. L’éther a laissé plus que tous : les équations de Maxwell ont été écrites pour un éther élastique, et elles lui ont survécu. Et la vitesse constante de la lumière, qui a aboli l’éther, est elle-même devenue une base de la mesure : c’est par elle qu’est défini le mètre.
07 · Section historique
L’expérience de 1887 est un modèle de mesure montée contre le bruit. La dalle de grès flottait sur le mercure pour pouvoir tourner sans à-coups. On observait dans un sous-sol, à midi et le soir, seize relevés par tour. On attendait 0,4 frange ; la dispersion des relevés était d’environ 0,01.
Le résultat nul a donné une borne supérieure : la vitesse de la Terre à travers l’éther est inférieure à environ 5—8 km/s. Cent ans plus tard, la constance de la vitesse de la lumière est entrée dans la définition du mètre. Depuis 1983, le mètre est la distance parcourue par la lumière en 1/299 792 458 de seconde.
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