Temps de la lumière
« Et si vraiment la lumière prend du temps pour arriver de Jupiter ? » Cassini et Rømer cherchaient une explication, car ils ne pouvaient pas comprendre pourquoi les éclipses d'Io se produisaient parfois avant ce qu'ils attendaient et d'autres plus tard. Et cette question de la lumière pouvait l'expliquer. Mais alors, la lumière finit-elle avec une vitesse finie ? Cassini a écarté cette idée. Rømer a avancé. Il le raconte à l'Académie des Sciences de Paris, en septembre 1676, et le publie à la fin de l'année. L'astronome danois n'a pas été pris en considération. La plupart avaient clairement, comme les grands Kepler et Descartes, que la vitesse de la lumière était infinie.
C'était un débat de plusieurs siècles. À l'époque des philosophes grecs, Enpedokles a été le premier à proposer que la lumière avait une vitesse finie. À Baia, la vision d’Aristote fut la plus répandue: « La lumière n’est pas un mouvement ». Ensuite, Heron d'Alexandrie a défendu le mouvement oui, mais il avait une vitesse infinie, arguant que nous pouvons voir des étoiles si lointaines dès que nous ouvrons les yeux. Et c'est qu'à cette époque on croyait que la lumière sortait des yeux.
XI. Au début du XXe siècle, Ibn al-Haytham a montré que la lumière émise par une source de lumière se reflète dans les objets dans toutes les directions et que la lumière réfléchie par les objets est vu quand il entre dans les yeux, et non par contre à travers les rayons de lumière que nous émettons des yeux. Al-Haytham croit que la lumière avait une vitesse finie et, en outre, variable en fonction de la densité de la matière qu'elle traverse. XIII. Au XIXe siècle, Roger Bacon défendit, sur la base des écrits d'al-Haytham, la vitesse finie de la lumière.
Mais XVII. Au début du XXe siècle, Kepler a reproposé que la vitesse de la lumière était infinie, voyant que le vide n'était pas un obstacle clair. Selon lui, la lumière émise du point A pouvait être vue simultanément au point B, bien qu'entre les deux points il y ait plusieurs kilomètres de billions. De plus, le grand philosophe et mathématicien Descartes partageait les idées de Kepler et défendait fermement ses arguments.
Galileo a essayé de mettre un peu de lumière dans ce débat. Il pensait qu'il devait y avoir un moyen de démontrer empiriquement cette question. Et en 1638, il a proposé une expérience: Sur les deux collines serait placé une personne avec une lanterne couverte. L'un d'eux découvrirait la lanterne et, voyant sa lumière, celui qui était sur l'autre colline ferait la même chose. Le premier mesurait le temps écoulé depuis que la lampe était couverte jusqu'à ce qu'il ait vu la lumière de la seconde. Ils sauraient ainsi si la lumière avait une vitesse finie. Il semble que Galileo a essayé, et en 1667 les chercheurs de l'Accademia del Cimento de Florence ont également fait l'expérience, mais ils n'ont pas été en mesure de tirer des conclusions.
Cassini et Rømer ont vu que des observations d'Io on déduisait que la lumière prenait un temps pour atteindre la Terre. En fait, une autre question a été étudiée. Galileo a découvert en 1610 les quatre lunes de Jupiter et a ensuite proposé que ces lunes de Jupiter pourraient être de magnifiques montres pour calculer leur longueur. Pour cela, des mesures précises des orbites des lunes étaient nécessaires.
Rømer y a rejoint après avoir terminé ses études à l'Université de Copenhague. En 1671, il soutient l'astronome français Jean Piccard sur l'île danoise de Hven, à l'observatoire Uranienborg de Tycho Brahe. Ils ont observé les éclipses d'Io. C'était un moyen de mesurer la durée de son orbite. Et c'est que vu de la Terre, Io se cachait derrière Jupiter chaque fois qu'il formait une orbite. Par conséquent, la durée de l'orbite d'Io était celle comprise entre l'éclipse et l'éclipse.
L'année suivante, Rømer s'est rendu à l'Observatoire de Paris pour collaborer avec Giovanni Cassini. Cassini observait aussi depuis des années les éclipses d'Io. Cassini et Rømer ont réalisé que le temps entre les éclipses d'Io était quelque peu rare. Ils savaient que la durée de l'orbite d'Io devait être fixe, toujours la même. C'était aussi de notre Lune, et du reste des lunes et des planètes. Mais les données étaient variables. En outre, ils ont réalisé que la distance entre les éclipses était plus grande quand la Terre s'éloignait de Jupiter et moins quand la Terre approchait de Jupiter.
Mais comment est-il possible que l'orbite terrestre affecte Io ? On ne pouvait pas. La seule explication était la vitesse de la lumière. Si la lumière prenait un certain temps pour arriver d'Io à la Terre, quand la Terre s'éloignait, cela prendrait plus de temps, donc l'éclipse serait vue plus tard. Cassini a été le premier à donner cette idée. En août 1676, il écrit: “la différence suggère que la lumière tarde à venir du satellite à nous”. Mais Cassini n'était pas convaincu et totalement rejeté l'idée, pensant qu'ils seraient des erreurs d'observation ou qu'il y aurait une autre raison.
Rømer a avancé. En analysant bien les données, il a calculé qu'il fallait 22 minutes pour traverser l'orbite terrestre. Il n'a pas calculé la vitesse; en bref, l'important était de prouver qu'il avait la vitesse finie. Christian Huygens a pris l'idée avec enthousiasme. Et s'appuyant sur le travail de Rømer, il a fait les calculs : 230.000 km/s (76% de ce qui est actuellement approuvé).
Bibliographie:
Bobis, L. et Lequeux, J.: Cassini, Romer and the velocity of light. Journal of Astronomical History and Heritage 11(2), 97-105 (2008)
Dabrowski, J.P., Snyder, G., Marschall, L.: “Jupiters moon and the speed of light”. Project CLEA (Contemporary Laboratory Experiences in Astronomy), Gettysburg College
Júncher, D.: “Ole Rømer” Niels Bohr Institute, Univesity of Copenhagen
Nissani, M.: “A Case History in Astronomy and Physics: The speed of light” Wayne State University
"Cette entrée participe au 3ème festival #CultureScientifique"
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