Les magiciens de la lumière
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Les magiciens de la lumière Livret d’accompagnement Sommaire Présentation du film 1 Guide d’utilisation 2 Une histoire de la vitesse de la lumière 4 Découpage et structure du film 14 Sommaire de l’entretien avec William Tobin 19 Les questions du Bar des sciences 20 Quelques définitions 23 Textes de référence 24 Le film Les magiciens de la lumière est une réalisation du Service de création audiovisuelle de la faculté des sciences d’Orsay (scavo), avec la collaboration du Groupe d’Histoire et de diffusion des sciences d’Orsay (ghdso). c Université Paris-Sud-11, scavo, 2009 Les magiciens de la lumière Une histoire de la vitesse de la lumière L’idée du film remonte à une proposition de « mise en cinéma » d’une approche expérimentale de l’histoire de la Physique que nous avions initiée à la faculté des sciences d’Orsay. Le Service de création audiovisuelle de la faculté d’Orsay, dit scavo, a choisi, en se limitant à l’une des expériences proposées, de réaliser une véritable fiction historique. Il a retenu la mesure de la vitesse de la lumière par Léon Foucault – l’homme du pendule – en 1862. La période choisie – 1840 -1865 – constitue une période charnière dans le statut de la vitesse de la lumière. Le film comporte de larges rétrospectives et peut être considéré comme une histoire des mesures de la vitesse de la lumière à la période classique, c’est à dire du xviie jusqu’au milieu du xixe siècle. Ensuite, avec les quanta et la Relativité d’Einstein, commencera une autre histoire qui n’est pas l’objet du film. Le film est complété par un second dvd contenant d’importants compléments, indispensables pour un usage documentaire et pédagogique. 1 Guide d’utilisation La pochette contient deux dvd : 1. le film proprement dit : durée 60 mn, dialogues en français. Techniquement, le dvd est divisé en deux chapitres : le premier chapitre est la page de menu, le second comprend le film tout entier. Dans la page de menu : en double-cliquant sur « Le Film », ou sur « Version française avec sous-titrage », ou bien sur « French version, English subtitles », on lance respectivement : le film seul en français, ou le film avec sous-titres français, ou le film avec soustitres en anglais. 2. le second , à finalité pédagogique et documentaire, divisé en plusieurs chapitres : (a) un entretien avec William Tobin, auteur du livre « Léon Foucault » (2002, edp-sciences ; version anglaise : 2003, Cambridge) ; 2 (b) le « Bar des sciences » filmé, dans lequel les auteurs scientifiques du film répondent aux nombreuses questions que, certainement, vous vous posez aussi ; (c) une séquence filmée montrant des étudiants de la faculté des sciences d’Orsay mesurant la vitesse de la lumière selon la méthode du miroir tournant de Foucault ; (d) un diaporama de photos de tournage ; (e) un ensemble imprimable Textes et documents, comprenant : i. le texte de ce guide : Une histoire de la vitesse de la lumière, enrichi, et complété de références au glossaire et à la bibliographie ; ii. une description des quatre expériences ou observations apparaissant dans le film ; iii. un important glossaire ; iv. une présentation des principaux ouvrages et articles directement en relation avec le film ; v. une bibliographie étendue. Le premier dvd est une œuvre de cinéma, donnant la priorité à l’image et à la dynamique de l’histoire ; le second le complète, sur les plans historique et scientifique, de manière à faire de l’ensemble un instrument utile, en particulier, à l’enseignant : outil d’éveil et outil de travail respectivement. Le niveau visé est celui de la fin des études secondaires et des premières années d’études supérieures. L’ensemble intéressera également les institutions de popularisation de la science, en particulier les musées scientifiques, et tout public curieux de la façon dont la science se construit. 3 Une histoire de la vitesse de la lumière La lumière a-t-elle une vitesse ? La lumière n’a pas toujours eu une « vitesse » dans l’Histoire, du moins la question de la non-instantanéité de sa propagation a été l’objet d’un débat qui s’est perpétué sur près de deux millénaires. Dans l’Antiquité grecque, l’instantanéité de sa propagation a été le paradigme dominant, bien que nous ayons des indications qu’il y a eu un réel débat. Le phénomène lumineux n’était pas en général distingué du phénomène de la vision qui, lui, a toutes les apparences de l’instantanéité. Le premier à distinguer clairement les deux phénomènes sera, au tournant des xe et xie siècles, le grand savant arabe ibn al Haytham – dit al Hazen dans les textes latins – inventeur notamment du concept de rayon lumineux qui rendra possible une Optique géométrique. Al Haytham est catégorique : « ce qui va de l’objet lumineux au corps qui lui fait face demande du temps, même si cela est dissimulé aux sens ». Mis en veilleuse au Moyen-Âge – car quel intérêt peut avoir une vitesse tellement grande qu’elle ne se distingue pas, en pratique, d’un phénomène instantané ? – le débat reprend dans la première moitié du xviie siècle avec Descartes et Galilée, deux approches diamétralement opposées : position théorique extrêmement ambiguë de Descartes, penchant pour une instantanéité du phénomène malgré un « mouvement successif dans l’espace », et qui déclarera par ailleurs « contradictoire qu’il puisse exister une vitesse infinie dans la nature ». Et, à l’opposé, pour la première fois avec Gali4 lée, une tentative expérimentale de répondre à la question avec l’expérience des deux lanternes, décrite dans Discours sur deux sciences nouvelles. Expérience non concluante (rapportée dans le film), bien entendu, mais démarche totalement nouvelle ! Ainsi, première caractéristique d’une mesure en Physique : il faut d’abord qu’il y ait quelque chose à mesurer. Où la lumière acquiert une vitesse Un pas de géant vers la solution : en 1676, Ole Römer, astronome danois « en résidence » à l’Observatoire de Paris – comme le bolognais Jean-Dominique Cassini et le hollandais Christian Huygens – montre, en tenant compte du mouvement de la Terre, que les irrégularités de période du premier satellite de Jupiter s’interprètent parfaitement en supposant un temps non nul pour la propagation de la lumière entre Jupiter et la Terre. Il estime le temps mis par la lumière pour traverser l’orbite de la Terre, mais, curieusement, s’abstient d’en déduire une vitesse, alors qu’il possédait une bonne estimation des distances (notamment, celle déduite de la parallaxe* 1 de Mars, mesurée par Cassini et Richer entre Paris et Cayenne en 1672). C’est que la vitesse de la lumière – tellement grande ! – n’entre alors dans aucune problématique, ni a fortiori dans aucune application. Il reviendra à Huygens, quelques années plus tard, de faire la division et de souligner qu’il faut nous habituer à l’existence dans la nature de vitesses « plus de six cent mille fois plus grandes que celle du son ». Le monde savant n’est cependant pas encore totalement 1. Les astérisques renvoient à la section « Quelques définitions ». 5 convaincu. Cassini lui-même, pourtant initiateur de l’interprétation de Römer, est fort réticent, avec de sérieuses raisons : imprécision des données, et le fait que les autres satellites médicéens ne manifestent pas le même phénomène (ce qui ne sera compris que bien plus tard). Une discussion entre Cassini et Römer est illustrée dans le film. La conviction complète de la finitude de la vitesse de la lumière sera définitivement acquise avec la découverte de l’aberration stellaire par Bradley en 1728. Une scène du film y fait allusion, et une explication détaillée est donnée dans le « bar des sciences » dans le second dvd. De même que la pluie qui tombe « droit » est vue tombant obliquement vers lui par le passager d’une voiture, la lumière « tombant » d’une étoile (supposée, par exemple, au zénith) nous arrive dans une direction apparente légèrement déviée dans la direction du mouvement de la Terre autour du Soleil. C’est la découverte de Bradley : l’étoile décrit en un an, sur le fond du ciel, une petite ellipse, image de la trajectoire de la Terre autour du Soleil. Dans le cas simple d’une étoile située au pôle de l’écliptique*, la déviation (exprimée en radian), la vitesse de la Terre, et la vitesse de la lumière sont liées par une relation très simple : le premier terme est le quotient des deux suivants. La distance Terre-Soleil est alors assez bien connue ; il est donc possible d’en déduire la vitesse de la Terre sur son orbite (environ 30 km/s) et donc une vitesse de la lumière à partir d’une mesure d’aberration. Mais, tout comme Römer, Bradley ne le fait pas explicitement ! Il lui suffit que la finitude de la vitesse de la lumière explique le phénomène d’aberration qu’il a découvert. La valeur numérique de cette vitesse n’entre toujours dans aucune problématique, et n’offre pas d’autre intérêt pour lui. 6 Néanmoins, comme pour Römer, d’autres feront la division : la vitesse de la lumière que l’on peut déduire des données de Bradley est remarquablement proche de la valeur moderne, ce qui montre au moins la qualité des observations de l’époque. Ainsi, au xviiie siècle, la finitude de la vitesse de la lumière est un fait acquis, et on en possède une estimation tout à fait correcte. Notons bien que les deux méthodes utilisées – satellites de Jupiter et aberration stellaire – font appel uniquement à des observations astronomiques ; dans chaque cas, trois grandeurs sont liées, à savoir : un temps ou un angle dans le ciel, la distance Terre-Soleil, et la vitesse de la lumière. Les choses en resteront là – à ceci près que les observations deviennent de plus en plus précises – jusqu’au milieu du xixe siècle. Un « corps » ou une « ondulation » ? L’Histoire nous fait quitter, un moment, le fil de la mesure proprement dite de la vitesse de la lumière pour une sorte de diversion, cependant très liée au sujet principal du film sur le plan technologique. C’est l’expérience de Foucault de 1850, qui prépare en effet la mesure de 1862, tout en ayant une finalité totalement différente. Écoutons Arago, cité ultérieurement par Foucault : « L’image supérieure est-elle moins avancée que celle d’en-bas ? Paraît-elle à sa gauche ? La lumière est un corps. Le contraire a-t-il lieu ? L’image supérieure se montre-t-elle à droite ? La lumière est une ondulation. » 7 Qu’est-ce à dire ? Depuis la fin du xviie siècle, deux modèles concurrents et contradictoires se disputent la structure de la lumière : une théorie corpusculaire, dite théorie de l’émission, de type classique c’est à dire soumise à la Mécanique de Newton ; et une théorie ondulatoire, élaborée par Huygens sur le modèle de l’onde sonore, classique elle aussi en ce sens que la vibration lumineuse est censée se propager dans un substrat subtil, « l’éther ». Ou bien la lumière est un « corps », ou bien elle est une « ondulation ». Après une période de domination du modèle corpusculaire au xviiie siècle, la théorie ondulatoire vogue de succès en succès à partir du début du xixe siècle, notamment avec les travaux de Young et de Fresnel ; Arago lui-même s’y rallie dès 1810. Bien que la victoire de « l’ondulation » soit pratiquement acquise à cette époque, Arago suggère en 1838 un test qu’il estime décisif : en vertu d’une hypothèse incluse dans le modèle corpusculaire de l’époque – à savoir, dans le droit-fil de Descartes et de Newton, la conservation de la vitesse tangentielle du corpuscule lors d’une réfraction — la vitesse de la lumière doit être plus grande dans les corps réfringeants (eau, verre, etc.) que dans l’air ; à l’inverse, la vitesse d’une onde lumineuse doit diminuer en pénétrant dans l’eau ou le verre. Arago propose donc comme test « décisif » une mesure comparative de la vitesse de la lumière dans l’air et dans l’eau, grâce à un système à miroir tournant dont il emprunte l’idée à l’anglais Wheatstone. Il faudra douze ans pour mener à bien cette expérience très délicate et, suite à l’affaiblissement de la vue d’Arago, ce sont Fizeau et Foucault qui s’attaquent finalement au problème et le résolvent en 1850. Mais l’émulation engendre la brouille des deux amis, qui continuent séparément. Foucault l’emportera de quelques 8 semaines, probablement grâce à l’utilisation d’un ingénieux système pneumatique — une petite turbine alimentée à la vapeur — pour l’entraînement du miroir. Résultat : la vitesse de la lumière diminue dans l’eau. Le modèle corpusculaire, tel que conçu à l’époque, est rejeté et la suprématie du modèle ondulatoire confortée. L’expérience de 1850 est évoquée à plusieurs reprises dans le film, sans être explicitement montrée. Bien que l’appareillage permette, en principe, une mesure absolue de la vitesse de la lumière dans l’air comme dans l’eau, là n’est pas le but : le résultat serait alors bien trop loin de la précision des mesures astronomiques. Il s’agit seulement d’une mesure comparative, obtenue en observant simultanément un déplacement d’image pour un faisceau ayant traversé un tube d’eau et pour celui qui n’a voyagé que dans l’air. Son intérêt se situe à deux niveaux : elle montre, d’une part, qu’on ne peut indéfiniment mesurer la vitesse de la lumière sans s’interroger sur la nature de ce qui se propage. D’autre part, la technologie employée, notamment le miroir tournant, pourra être réutilisée, avec d’importants perfectionnements, pour l’expérience de mesure absolue de la vitesse de la lumière dans l’air en 1862. Elle constitue donc un passage obligé, et cela est bien exposé dans le film. Vitesse de la lumière et mesure des distances L’expérience finale Tout juste l’année précédant l’expérience air-eau, Fizeau, en 1849, effectue la première mesure terrestre de la vitesse de la lumière, en aller-retour, entre son grenier de Suresnes et un miroir placé sur la colline de Montmartre. Une scène du film est consacrée à cette expérience, et des 9 détails sont donnés dans le second dvd. Arago saisit immédiatement l’intérêt d’une mesure terrestre ; écoutons-le, rapportant l’expérience de Fizeau devant l’Académie des sciences : « En répétant ces observations avec des appareils mécaniquement plus parfaits, on pourra un jour, sans sortir de Paris et de sa banlieue, trouver cette parallaxe du Soleil qui, vers le milieu du siècle dernier, donna lieu à des voyages si longs, si lointains, si pénibles, et à tant de dépenses. » En effet, donner la parallaxe du Soleil* équivaut à donner sa distance, et la détermination précise de la distance Terre-Soleil est l’une des préoccupations principales des astronomes depuis deux siècles. Arago saisit immédiatement 10 l’intérêt d’une mesure terrestre de la vitesse de la lumière, indépendamment des mesures astronomiques : en effet, on pourra alors, par exemple, inverser la formule de l’aberration évoquée plus haut, et en déduire la distance TerreSoleil ; ou bien, les satellites de Jupiter nous donnant le temps mis par la lumière pour traverser l’orbite de la Terre, la connaissance indépendante de la vitesse de la lumière nous fait accéder directement au diamètre de cette orbite, deux fois la distance Terre-Soleil. Contrairement à la méthode des parallaxes planétaires* , ou celle des passages de Vénus* , utilisées jusqu’alors, cette nouvelle méthode n’exige aucun déplacement lointain : une mesure « dans le ciel » à l’Observatoire, et une mesure de la vitesse de la lumière en laboratoire. Et si la mesure de Fizeau n’est, alors, pas plus précise que les déterminations astronomiques, on pourra, en laboratoire, améliorer « indéfiniment » la qualité des appareils de mesure. Tel est le sens de la déclaration d’Arago. Miné par le diabète, Arago décède en 1853 et ne verra pas le succès de la nouvelle méthode. C’est Le Verrier, son successeur à l’Observatoire – un tempérament ô combien différent ! – qui demandera à Foucault une mesure aussi précise que possible de la vitesse de la lumière. Ses calculs de perturbations planétaires, qui dépendent directement des distances dans le système solaire, lui font penser que la distance Terre-Soleil, celle des astronomes comme celle – voisine – déduite de la mesure de Fizeau, est surestimée de plusieurs pourcents. Une détermination précise de la vitesse de la lumière doit lui donner raison ! Foucault s’attelle à la tâche, qu’il mène rapidement à bien sur l’année 1862, car Le Verrier est pressé ! Et donne totalement raison à Le Verrier. C’est toute la dernière par11 tie du film qui nous raconte cette histoire, nous menant de l’atelier de Froment – mécanicien génial – au montage de l’expérience finale à l’Observatoire, en passant par le Grand-Orgue de Saint-Sulpice où Foucault et le facteur d’orgue Cavaillé-Coll discutent d’un dispositif pneumatique d’entraînement du miroir basé sur les techniques de soufflets d’orgue. Désormais, cette nouvelle méthode dite « des physiciens » va progresser, concurremment avec celles, purement astronomiques, basées sur les parallaxes planétaires. Elle ne fait plus appel aux dimensions de la Terre, contrairement aux parallaxes planétaires, toutes basées sur la « figure » de la Terre. C’est un pas de géant dans l’espace : on commence alors, en effet, à déterminer les distances des étoiles les plus proches par la méthode des parallaxes stellaires* – analogue, pour les étoiles, à celle des parallaxes planétaires à l’intérieur du système solaire – en utilisant une base de trois-cents millions de kilomètres constituée par deux positions de la Terre dans l’espace, prises à six mois d’intervalle. Que la mesure de cette base devienne indépendante des dimensions de la Terre est un progrès majeur ! Le clin d’œil à Einstein Le film se termine sur un clin d’œil à Einstein. Il est difficile de faire une histoire de la vitesse de la lumière sans, au minimum, une allusion à la Relativité d’Einstein. Mais toute la problématique qui a conduit à la Relativité constituerait, en elle-même, le sujet d’un autre film ! La forme « fiction historique » impose de limiter le sujet, on ne peut pas tout traiter. Toutefois, l’étonnement suscité par l’apparente indépen12 dance de la vitesse de la lumière par rapport au mouvement propre de l’étoile source, apparaît déjà dans le courant du xviiie siècle ; l’étonnement est plus grand encore peut-être, avec les expériences d’Arago et Fresnel, au début du xixe, semblant montrer une indépendance vis à vis du mouvement de l’observateur, pourtant emporté par la Terre. La précision des observations et des expériences est encore limitée, mais les faits seront têtus, et le problème restera latent jusqu’aux dernières années du siècle. Ce siècle est borné par l’émergence du problème à son tout début, et par la solution révolutionnaire qu’apportera Einstein au tout début du xxe. C’est pourquoi, après la fin du scénario proprement dit, une voix « off », se plaçant à l’époque de la fin du film (1865) et représentant une personne ayant une vision synthétique de la science de son époque, voit dans ce problème un fait majeur et, s’appuyant sur ces étonnements, vient nous dire : « je fais le pari que la lumière n’a pas fini de nous surprendre ! » Et Einstein paraît, surgissant du ciel profond. Il n’était pas possible d’en dire plus, mais ceci, au moins, devait être dit. 13 Découpage et structure du film Démarrage 0 mn 0 s : menu du film 1 mn 30 s : introduction Image d’une éclipse de soleil. Coup d’œil à la dernière scène du film : les amis de Léon Foucault se préparent à fêter – enfin ! –– son élection à l’Académie des sciences. Nous sommes alors en 1865. Titre du film. L’histoire de ce qui a précédé va pouvoir commencer. Note : le film revient à plusieurs reprises sur cette scène qui sert en particulier de fil conducteur ; nous l’appellerons « scène des amis ». Les années 1840-1850 3 mn 05 s : scène Donné-Foucault 1840, Alfred Donné, célèbre professeur de médecine, engage le jeune Foucault comme assistant. 6 mn 31 s : rencontre des jeunes filles Léon Foucault et son ami Hypolite Fizeau rencontrent deux jeunes filles férues de sciences physiques. Tous se rendront au célèbre cours public d’Astronomie du savant François Arago. 10 mn 35 s : Arago-Fizeau-Foucault Observatoire de Paris, 1840. Arago confie à Fizeau et Foucault un important travail d’Optique. 13 mn 56 s : le Journal des Débats Retour « scène des amis ». Évocation de l’activité de journaliste scientifique de Foucault. Rencontre avec l’imprimeur. Évocation de la révolution de 1848. 14 16 mn 32 s : projets à l’Observatoire Arago reçoit Foucault sous l’immense coupole qu’il a fait construire à l’Observatoire. Projets. Évocation de la première expérience de mesure terrestre de la vitesse de la lumière que Fizeau est en train de monter. 18 mn 04 s : l’expérience de Fizeau 1849 : grenier de Fizeau. Fizeau mesure la vitesse de la lumière, pour la première fois sur terre, en envoyant, depuis son grenier de Suresnes, un faisceau lumineux qu’il fait réfléchir sur un miroir placé à Montmartre (8 km). Discussion pertinente avec sa servante. Arago rend compte du succès de l’expérience devant l’Académie des sciences. Contraste avec Foucault qui traverse alors une phase dépressive. 23 mn 56 s : l’expérience air-eau de 1850 Retour « scène des amis ». Donné évoque la problématique de l’expérience comparative des vitesses de la lumière dans l’air et dans l’eau, réalisée par Foucault en 1850 : Foucault a définitivement réfuté le modèle corpusculaire de la lumière, tel que conçu à l’époque. Succès, mais aussi brouille avec Fizeau. Le salon et les rétrospectives 25 mn 22 s : le salon de Madame Sabatier Foucault est entraîné par les « jeunes filles » dans le salon littéraire de Madame Sabatier « l’un des plus courus de Paris ». Rencontre avec Alfred de Musset avec lequel il évoque le concept de « vitesse » –– absolument pas évident pour la lumière –– et les premières tentatives de mesure : Galilée, Römer, Bradley. Dialogue qui va servir de fil pour les rétrospectives suivantes. 15 30 mn 01 s : Galilée et la vitesse de la lumière Rétrospective : années 1600, Galilée tente de mesurer la vitesse de la lumière à l’aide de deux lanternes que les protagonistes découvrent et masquent alternativement. Galilée, sa belle compagne Marina Gamba et son étudiant bourgeois Ludovico correspondent respectivement à Salviati, Sagredo et Simplicio, les personnages du Discours sur deux sciences nouvelles. Retour au salon de Madame Sabatier. 37 mn 40 s : Römer et la vitesse de la lumière Rétrospective : 1676, Observatoire de Paris (tout neuf). Römer prépare, pour l’Académie royale, un exposé de sa découverte : les irrégularités de période du premier satellite de Jupiter ne sont qu’apparentes et s’expliquent par le caractère fini de la vitesse de la lumière, question jusqu’ici controversée. Scepticisme de Cassini. Retour au salon. 41 mn 42 s : Bradley et l’aberration stellaire Évocation de la découverte de l’aberration stellaire par Bradley en 1728, à travers une scène mettant en lumière la personnalité très introvertie de Foucault, « et il est possible d’en déduire la vitesse de la lumière . . . ». Le Verrier, Foucault et l’expérience finale 44 mn 36 s : Le Verrier et Foucault 1853 : Le Verrier – l’homme qui a découvert Neptune « au bout de sa plume » – nouveau directeur de l’Observatoire ; Foucault nommé « physicien de l’Observatoire ». Tempéraments opposés, relations difficiles. 1861, rencontre au pied du célèbre pendule de Foucault : Le Verrier commande à Foucault l’expérience 16 finale, aboutissement du film. Non plus simple comparaison comme en 1850, mais une mesure absolue dans l’air aussi précise que possible. Il s’agira désormais de lier la vitesse de la lumière aux distances astronomiques, en premier lieu à la distance Terre-Soleil, principal problème depuis deux siècles. 48 mn 02 s : dans l’atelier de Froment Foucault et Froment, célèbre mécanicien et fabriquant d’instruments, envisagent les modifications à faire subir à l’appareillage de 1850 pour répondre à la demande de Le Verrier. Le miroir tournant, pièce maîtresse, est conservé, mais pour son entraînement . . . 50 mn 42 s : l’orgue de Saint-Sulpice Pour entraîner en rotation très rapide son « tout petit miroir », Foucault envisage de remplacer la vapeur utilisée en 1850 par de l’air comprimé sous faible pression, typiquement le genre de pression utilisée dans les soufflets d’orgue. Il s’adresse à son voisin, le célèbre facteur d’orgue Cavaillé-Coll, qui vient juste de reconstruire entièrement le grand-orgue monumental de Saint-Sulpice : cent jeux, sept-mille tuyaux ! La rencontre a lieu, dans une ambiance grandiose, au pupitre de l’instrument. Monsieur Cavaillé réalisera l’outil indispensable. 53 mn 46 s : l’expérience finale Retour à la « scène des amis » : discussion sur l’expérience finale autour de Le Verrier. Montage et explication de l’expérience, salle de la Méridienne à l’Observatoire, par Foucault et Froment (1862). À nouveau « scène des amis » : enfin, comme annoncé au début du film, Foucault, couronné par l’Académie, paraît en 17 habit d’académicien, fêté par ses amis. Fin du scénario proprement dit. Fin du film 59 mn 11 s : conclusion en voix « off » Une voix « off » souligne le côté charnière de l’époque du film, 1840 à 1865, relativement au statut de la vitesse de la lumière. Puis, notant l’apparente indépendance de la vitesse de la lumière vis à vis du mouvement de la source comme de l’observateur – déjà mise en évidence dès le début du siècle – elle fait une « anticipation raisonnée » : cette vitesse de la lumière n’a certainement pas fini de nous surprendre ! Et Einstein apparaît, émergeant d’une galaxie lointaine. Générique de fin. 18 Sommaire de l’entretien avec William Tobin 1. Le biographe : qui êtes-vous Monsieur Tobin ? 2. La personnalité de Léon Foucault. 3. L’homme de science. – Mécanique et Électricité : le pendule et le gyroscope ; l’arc électrique régulé ; les « courants de Foucault » ; divers régulateurs. – Optique : amélioration du télescope (argenture, « foucaultage »), application de la photographie à l’imagerie médicale (le microscope daguerréotype), et à l’étude de l’intensité des sources lumineuses ; – Nature et vitesse de la lumière (sujets traités dans le film) : les deux grandes expériences de 1850 et de 1862. 19 Les questions du « Bar des sciences » Pour vous aider à trouver les réponses aux questions que vous vous posez certainement, nous vous donnons cidessous la liste des questions posées oralement au « Bar des sciences ». Elles sont regroupées ici par thèmes dans le même ordre que dans le second dvd où vous trouverez la séquence filmée du « Bar des sciences ». 1 – À propos du film 1.1 Pourquoi avoir choisi ce sujet ? Quelle problématique vous a guidés ? 1.2 L’expérience air-eau de Foucault a été, à l’époque, considérée comme « cruciale ». Pouvez-vous citer d’autres exemples d’expériences décisives ? 1.3 Les instruments que l’on voit sont-ils authentiques ? Pourquoi ne pas les avoir fait fonctionner ? 1.4 Quelle est la part d’authenticité et quelle est la part de fiction dans votre film ? 1.5 À quelles difficultés entre Le Verrier et Foucault est-il fait allusion dans le film ? 2 – Sur la lumière 2.1 Qui a prétendu, le premier, que la vitesse de la lumière est finie ? Quels débats y a-t-il eu dans l’Histoire ? 2.2 Pourquoi les « cheveux des anges » s’illuminent-ils lorsqu’on les éclaire par derrière ? 20 2.3 Quel est l’intérêt d’une connaissance précise de la vitesse de la lumière ? Quelles sciences sont concernées ? 2.3 bis (auditeur rebondissant en incise sur la réponse à 2.3) Mais qu’est-ce donc que cette « parallaxe » dont vous venez de parler, et à laquelle il est fait allusion dans le film ? 2.4 Quelle est la valeur de la vitesse de la lumière admise aujourd’hui ? 3 – Aux xviie et xviiie siècles 3.1 Pourquoi les satellites de Jupiter constituent-ils pour Galilée une horloge parfaite ? Et pourquoi cela va-t-il résoudre le problème des longitudes et rendre Galilée riche ? 3.2 Galilée a-t-il réellement fait l’expérience des deux lanternes ? 3.3 Que faut-il conclure du travail de Rφmer ? En a-t-on déduit une vitesse de la lumière ? 3.4 Pourquoi Cassini n’est-il pas d’accord avec Rφmer ? 3.5 Pouvez-vous nous expliquer ce qu’est l’aberration stellaire, car cela a passé un peu vite dans le film ? Comment en déduit-on la vitesse de la lumière ? 4 – Au temps de Foucault 4.1 À quelle vitesse Fizeau faisait-il tourner sa roue ? Il fallait la faire tourner très vite, non ? Combien cette roue avait-t-elle de dents ? 21 4.2 Pourquoi la comparaison des vitesses de la lumière dans l’air et dans l’eau permettait-elle de trancher la question de la nature de la lumière, ondes ou corpuscules ? 4.3 Quelles améliorations Foucault apporte-t-il à son montage entre l’expérience de 1850 et celle de 1862 ? 4.4 Comment la mesure de la vitesse de la lumière par Foucault en 1862 permet-elle de déterminer les distances astronomiques ? 4.5 Y a-t-il eu d’autres mesures de la vitesse de la lumière à l’époque de Foucault et de Fizeau ? 4.6 Pourquoi avez-vous choisi d’arrêter le film sur l’expérience de 1862 ? D’autres mesures ont-elles eu lieu ensuite ? Mesure-t-on encore aujourd’hui la vitesse de la lumière et pourquoi ? 5 – Le clin d’œil à Einstein 5.1 Comment savait-on dès le xviiie siècle que la vitesse de la lumière venant d’une étoile ne dépend pas du mouvement propre de cette étoile ? 5.2 Quelles étaient les expériences d’Arago et de Fresnel auxquelles il est fait allusion ? 5.3 Qu’est-ce qui va plus vite que la lumière ? 5.4 La vitesse de la lumière est-elle la même dans toutes les galaxies ? Peut-elle varier dans le temps ? 5.5 Que signifie le clin d’oeil à Einstein à la fin du film ? 22 Quelques définitions Écliptique : intersection de la sphère céleste avec le plan contenant l’orbite de la Terre. Cette orbite est une ellipse presque circulaire. Vue de la Terre, l’écliptique est la trace de la trajectoire du Soleil sur la sphère céleste. Parallaxe : la parallaxe est le fait que, si vous regardez votre doigt, main tendue devant vous, vous ne le voyez pas dans la même direction selon que vous fermez l’œil droit ou l’œil gauche. Connaissant la distance entre vos yeux (la base), vous en déduisez la distance de votre doigt. Parallaxes planétaires : c’est l’application du phénomène de parallaxe aux distances des planètes : la base est constituée par deux points éloignés sur la Terre dont la distance est connue, et d’où l’on vise la planète. On passe ensuite à la distance du Soleil grâce aux lois de Képler. La méthode dite des « passages de Vénus » se ramène à une variante de la méthodes des parallaxes. Parallaxe du Soleil : c’est l’angle moyen sous lequel, depuis le centre du Soleil, on verrait un rayon de la Terre. Connaissant ce dernier, on obtient la distance moyenne TerreSoleil, dite unité astronomique. Parallaxes stellaires : c’est la méthode des parallaxes planétaires transposée aux étoiles « proches ». La base est maintenant la distance de deux positions de la Terre dans l’espace à six mois d’intervalle, soit environ trois cents millions de kilomètres. Les parallaxes stellaires sont toutes inférieures à la seconde d’arc. Une connaissance correcte de la distance Terre-Soleil est donc un enjeu essentiel pour la détermination des distances des étoiles (cf. scène Le VerrierFoucault dans le film). 23 Textes de référence Une bibliographie détaillée est incluse dans le second dvd. Nous nous limiterons à donner dans ce livret la référence de deux ouvrages essentiels dont le film a largement tiré parti : – Tobin, William : 2002, Léon Foucault (adapatation française J. Lequeux), Paris, edp-sciences. Ce livre est « la » référence sur la vie et l’œuvre scientifique de Léon Foucault. Deux chapitres sont directement consacrés au sujet du film, mais l’ensemble du livre apporte un éclairage complet sur l’homme et son environnement social et scientifique. Bibliographie très étendue. Accessible à un large public. Version originale anglaise : 2003, The Life and Science of Leon Foucault, the Man who proved the Earth Rotates, Cambridge University Press. – Taton, René (sous la direction de) : 1978, Roemer et la vitesse de la lumière, Paris, Vrin. Cet ouvrage « savant » rassemble les 21 contributions au colloque organisé par le cnrs en 1976 à l’occasion du tricentenaire de la découverte de Roemer (que l’on transcrit aussi en « Römer »). Destiné à un public plus averti, il contient, de fait, un panorama de l’ensemble de la question de la vitesse de la lumière, depuis l’Antiquité jusqu’au xxe siècle, avec, bien entendu, une revue critique de la contribution de Roemer. Ouvrage également essentiel quant à la genèse du film. 24 L’équipe du film Réalisateurs : Cadreur Auteurs scientifiques : : Documentation Dialogues Producteur Co-producteurs Textes (livret et dvd-2) : : : : : Christine Azémar (scavo) et Serge Guyon (scavo) Max Relid (scavo) Alain Sarfati (Lab. A. Cotton et scavo) et Pierre Lauginie (ghdso) Maria Descargues (scavo) Laurent Baraton (École polytechnique) Université Paris-Sud, scavo Observ. de Paris, Triangle de la Physique Pierre Lauginie (Les images se lisent de gauche à droite et de haut en bas)
