XIXe siècle : Foucault

Lorsque, en 1850, Léon Foucault reprend l'expérience proposée par Arago douze ans auparavant, il met à profit un certain nombre d'innovations techniques. Mais cela ne débouche qu'à une estimation qualitative de la célérité de la lumière. Ce n'est qu'en septembre 1862 qu'il parvient à mesurer la vitesse de la lumière à l'intérieur même d'un laboratoire. L'expérience se passe dans la salle de la Méridienne de l'Observatoire de Paris et deux personnages différents y assistent : l'ingénieur Froment et le facteur d'orgues Cavaillé-Coll.

Pieger la lumière
La méthode, finalement simple, imaginée par Foucault, consiste à piéger la lumière au cours du trajet du faisceau lumineux à travers un petit miroir tournant, une lentille et quatre miroirs sphériques. Entre ses passages aller et retour le faisceau a parcouru 20 mètres et le miroir a légèrement tourné. C’est de la mesure de cet angle de déviation que Foucault déduit la vitesse de la lumière.

Les habiles constructeurs
Le succès de l’expérience doit beaucoup à l’imagination de Foucault, mais aussi au talent des constructeurs ; Gustave Froment pour le miroir et sa turbine qui tournent à 24 000 tours/minute, et Aristide Cavaillé-Coll. pour sa soufflerie à air comprimé.

Léon FOUCAULT détermina donc la vitesse de la lumière à c = 298 000 000 m/s.

Il disposait:
D’un miroir tournant à grande vitesse (24 000 tours/minute);
D’une lentille;
De quatre miroirs tournants.

Principe :
le matériel essentiel du dispositif est un miroir tournant capable de tourner à très grande vitesse. La rotation est assurée par le dispositif suivant :

une turbine mise au point par Gustave FROMENT

une soufflerie à air comprimé , très stable , mise au point par Aristide Cavaillé-Coll.

Description du parcours du faisceau lumineux lors de la rotation du miroir tournant :
Un rayon issu d’une source lumineuse va se réfléchir sur le miroir tournant. Selon les lois de DESCARTES : quand i et r sont dans le même plan et que i = r. Le miroir tournant, à ce moment, est dans sa position initiale.

Au moment où le rayon lumineux est réfléchi vers le miroir sphérique, le miroir est en rotation rapide, il tourne d’un angle θ pendant l’aller et le retour du faisceau lumineux entre les points I et I’.


Le rayon lumineux revenant sur le miroir tournant ne retrouve pas sa direction initiale vers sa source lumineuse, mais il est dévié d’un angle 2θ. La mesure de cet angle permet de déterminer la vitesse de la lumière.



Procédons désormais à l’élaboration de l’expression littérale de la célérité de la lumière dans les conditions expérimentales :

Foucault a beaucoup amélioré son dispositif en mettant 4 miroirs sphériques au lieu d’un, afin d’augmenter le parcours aller et retour ( jusqu’à 40,4 m au total ) du faisceau lumineux, c'est-à-dire la distance d2. Cette expérience, réalisée en 1862 l’a conduit à une estimation de la vitesse de la lumière dans l’air de 298 000 km/s.

(Nous sommes allés au musée des arts et métiers où nous avons pu observer ce dispositif de plus près ; l’original est à l’Observatoire de Paris )


Schéma explicatif du dispositif expérimental :

La détermination de la vitesse de la lumière par Léon Foucault a une importance historique. En effet, elle a permis de comparer la vitesse de la lumière dans l’air et dans l’eau.
Cette comparaison était très importante au niveau théorique car deux idées s’opposaient à propos de la vitesse de la lumière.

- La première théorie était la théorie de l’émission. Celle-ci supposait que la célérité de la lumière augmentait avec la densité, donc elle serait plus élevée dans l’air que dans le vide.

- La seconde théorie
était la théorie ondulatoire selon laquelle la vitesse de la lumière était inversement proportionnelle à l’indice de réfraction (n supérieur ou égal à1), donc elle serait plus faible dans l’eau.

L’expérience de Foucault montra que la vitesse de la lumière dans l’eau (225 400 km/s) était moins élevée que dans l’air. Ce qui confirma les deux théories.