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Comprendre : expérience de Michelson et Morley
C8 Relativité
EXPERIENCE DE MICHELSON ET MORLEY
Considérons 2 voitures dont les compteurs de vitesse affichent 50km.h-1 pour l’une et 60 km.h1
pour l’autre. Si elles se croisent, leurs passagers voient arriver l’autre voiture à 110 km.h-1 alors que
si elles se doublent c’est à 10km.h-1 que les passagers voient l’autre voiture se déplacer. C’est la
composition des vitesses. Le principe est le même pour des signaux sonores. Mais, qu’en est-il pour la
lumière ?
Document n°1. Expérience de Michelson et
Morley.
A la fin du XIXeme siècle, deux physiciens
américains Michelson et Morley cherchent à
mesurer l’influence de la Terre sur la célérité
de la lumière dans le vide. Pour cela ils
cherchent
à appliquer la relativité
du
mouvement de la physique classique à la
lumière.
Le dispositif est schématisé ci-contre. La
lumière émise par la source S rencontre en M
une lame semi transparente :
Une partie de la lumière est
réfléchie vers un miroir M1 et
une autre partie en direction
d’un miroir M2. Après réflexion,
le phénomène se reproduit sur
la lame.
Ainsi le détecteur permet de
visualiser des interférences
entre les rayons ayant suivi des
trajets différents.
Ce dispositif étant fixe par
rapport à la Terre, on envisage
le cas de telle sorte que l’axe
SMM2 soit parallèle à la
direction de la vitesse
du
support par rapport au référentiel héliocentrique.
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Comprendre : expérience de Michelson et Morley
Document 2 : résultats de l’expérience
La règle des compositions des vitesses devrait
permettre d’affirmer que par rapport au
support, la lumière effectue le trajet entre M et
M2 à la vitesse c-V par rapport à la Terre (c
vitesse de la lumière) à l’aller et c+V au retour
(figure 1). La direction MM1 étant moins
affectée par le mouvement de la Terre. (figure
C8 Relativité
Figure 1
Figure 2
2)
La différence τ entre les durées de trajet MM2M et MM1M devrait donc dépendre de
v. Le calcul donne une différence de
D étant la distance MM1 =MM2. Les deux faisceaux interfèrent et bien que la vitesse v de la Terre
(=30km/s) soit très petite devant c, la figure d’interférence obtenue devrait être affectée d’une
façon mesurable par cette différence.
Le résultat est inattendu puisque la figure reste inchangée. Michelson et Morley sont forcés
d’admettre que la vitesse de la lumière reste résolument constante ce qui est en contradiction avec
la physique et la relativité du mouvement admise jusqu’alors.
Dans un premier temps, personne ne saura expliquer cette découverte, qui reste l’une des plus
importantes et des plus célèbres de l’histoire de la physique. Elle vaudra le Nobel à Michelson qui
était à l’initiative de l’expérience en 1907.
Questions :
1. Vérifier que τ a les dimensions d’un temps et calculer sa valeur. On prendra pour valeurs
numériques : D=10m ; V= 3,0x104 m.s-1 ; c=3,0x108m.s-1
2. Comparer cette valeur à la période d’une radiation de longueur d’onde dans le vide de λ=500nm
3. Justifier l’utilité d’un dispositif d’interférence pour le mesurer le décalage attendu.
4. Quelle propriété de la célérité de la lumière découle de cette expérience ?
5. Que peut-on dire de la célérité dans le vide de la lumière provenant d’une étoile, pour un occupant
d’un vaisseau spatial ultra rapide se déplaçant en mouvement rectiligne uniforme par rapport au
référentiel héliocentrique ?
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C8 Relativité
CORRECTION
1.
τ = 3,3.10-16s
2.
3. L’écart n’est qu’un cinquième de la période donc pas mesurable, en revanche il y a des
interférences mesurables…
4. La lumière a ne vitesse constante quel que soit le référentiel.
5. Il verra la lumière se déplacer à 3,0.108m/s
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