Léon Foucault mesure la vitesse de la lumière

mai à septembre 1862

On a cru longtemps que la lumière se propageait instantanément. Cependant, Jean-Dominique Cassini et Olaus Roemer ont montré en 1676 que sa vitesse était finie, mais extrêmement grande. Ce n’est qu’en 1849 qu’Hippolyte Fizeau a pu la mesurer directement par sa méthode de la roue dentée, quoique de façon peu précise.

 

À cette époque, Urbain Le Verrier (1), après sa découverte de Neptune, échafaudait une théorie complète du mouvement des planètes du système solaire. En 1861, elle était assez avancée pour qu’il puisse en déduire une valeur de la distance moyenne de la Terre au Soleil, soit 147 millions de kilomètres. Cette valeur était inférieure à celle qui était alors admise, 153,5 millions de km ; Le Verrier désirait vérifier son résultat en utilisant une autre méthode pour obtenir cette distance. Pour cela, il fallait mesurer avec précision la vitesse de la lumière et utiliser la constante de l’aberration, une quantité astronomique assez bien déterminée qui est égale au rapport de la vitesse de la Terre sur son orbite à la vitesse de la lumière : on en déduirait la vitesse orbitale de la Terre, d’où la longueur de son orbite parcourue en un an, et enfin le rayon moyen de celle-ci.

 

Le Verrier, qui dirigeait l’Observatoire de Paris, demanda donc à Léon Foucault (1819-1868) de mesurer la vitesse de la lumière avec la plus grande précision possible. Foucault, déjà célèbre par son expérience du pendule, avait été embauché à l’Observatoire en tant que « physicien ». C’était l’expérimentateur le plus habile de son époque, et il était aidé par un remarquable constructeur d’instruments, Gustave Froment. Il se mit donc au travail, utilisant pour la mesure la technique du miroir tournant, due à l’Anglais Charles Wheatstone, technique qu’il avait lui-même déjà perfectionnée. Le principe en est simple : on fait tomber un rayon lumineux sur un miroir tournant, puis on lui fait faire un trajet assez long à l’aide d’autres miroirs jusqu’à ce qu’il revienne sur ce miroir rotatif. Pendant ce trajet, le miroir a eu le temps de tourner légèrement, et on peut savoir de quel angle en observant la direction du faisceau sortant. Connaissant la vitesse de rotation du miroir, on peut alors connaître le temps qu’a mis la lumière à parcourir le trajet et en déduire sa vitesse.

 

Le miroir tournant de Foucault, conservé à l’Observatoire de Paris, est une merveille de mécanique. Il était entraîné à 400 tours/seconde par une turbine dont l’air comprimé était fourni par une soufflerie très stable construite par le facteur d’orgues Aristide Cavaillé-Coll (2). L’expérience, menée sur un trajet de 40 m, a conduit à une vitesse de la lumière de 298 000 km/seconde, qui diffère peu de la valeur actuelle. On ne peut qu’être admiratif de la qualité de ce résultat. La distance moyenne de la Terre au Soleil fut alors portée à 148,5 millions de km, une valeur proche de celle estimée par Le Verrier, qui fut fort satisfait.

 

La mesure de Foucault est restée insurpassée jusqu’à ce qu’Albert Michelson la reprenne à la fin du XIXe siècle avec des moyens considérables. Actuellement, la vitesse de la lumière est connue avec une très grande précision : fixée arbitrairement à 299 792,458 km/seconde, elle sert depuis 1983 à définir le mètre.

 

James Lequeux
astronome à l’Observatoire de Paris

 

1. Cf. Célébrations nationales 2011
2. Cf. site multimédia Aristide Cavaillé-Coll, facteur d'orgues


Programme des manifestations

Manifestations

France
Basse-Normandie

Vendredi 14 septembre, à 21h00
Colloque : « La folie du pendule de Foucault » par William Tobin, physicien, astronome, historien des sciences, diplômé des universités de Cambridge et de Wisconsin (USA) et auteur d'une biographie sur la vie et l'œuvre de Léon Foucault
Entrée libre et gratuite
Informations complémentaires
Lieu : Basilique Sainte Trinité, 8 place Napoléon - 50100 Cherbourg-Octeville

 

Samedi 15 septembre, à 16h00, 21h00 et 23h00
Dimanche 16 septembre, à 16h00 et 18h00
Spectacle : « Le pendule de Foucault »
Le Groupe Astronomique Hague Querqueville a choisi de mettre en scène cette fantastique expérience pour permettre à un large public de percer les secrets du pendule en faisant la place belle au rêve et à l'imaginaire ; le spectacle mêlera chorégraphie, musique et théâtre, tout en mettant en valeur la majesté du lieu qui l'accueille
Entrée libre et gratuite
Informations complémentaires
Lieu : Basilique Sainte Trinité, 8 place Napoléon - 50100 Cherbourg-Octeville

Ile-de-France

2012 - (dates et horaires indiqués ci-dessous)
Visites et démonstrations : « Pendule de Foucault »
L’expérience du pendule de Léon Foucault, réalisée en 1851 pour la première fois, oscille entre réalité scientifique et « magie »
Lieu : Musée des arts et métiers – CNAM
60, rue Réaumur - 75003 Paris
tél. : 01 53 01 82 00 ; fax : 01 53 01 82 01

 Provence-Alpes-Côte-d'Azur

Vendredi 4 mai 2012 - 20h30
L'association Andromède propose une conférence : « Léon Foucault, le télescope astronomique et Marseille » par William TOBIN, astronome et physicien
Résumé de la conférence : Le monde se souvient du physicien Léon Foucault pour sa magistrale démonstration de la rotation de la Terre au moyen d'un long pendule installé au panthéon à Paris en 1851. Mais Foucault est également l'inventeur du télescope astronomique moderne. Le plus grand télescope qu'il a conçu fut installé à Marseille en 1864, sur le plateau Longchamp, où il a été utilisé pendant une centaine d'années.
Lieu : Observatoire de Marseille, bd Cassini - 13004 Marseille

Médias-Com  - Filmographie - Archives et documentation

. Sites Internet :

Site consacré à Léon Foucault
(Co-production : Observatoire de Paris et Ministère de la Recherche)
Exposition virtuelle : le miroir et le pendule

Institutions culturelles

Observatoire de Paris
Site de Paris : 61 av. de l’Observatoire (accès interdit au public)
Entrée visiteurs : 77 avenue Denfert-Rochereau – 75014 Paris
tél. : 01 40 51 22 21 ; fax : 01 43 54 18 04

 

Musée des arts et métiers – CNAM
60, rue Réaumur - 75003 Paris
tél. : 01 53 01 82 00 ; fax : 01 53 01 82 01

 

Panthéon
Place du Panthéon - 75005 Paris