Dernière mise à jour : 02 septembre 2024

Expérience de Michelson et Morley

Contexte théorique

C'est au cours du XIXe siècle, avec les travaux de Thomas Young (1773-1829), James Clerk Maxwell (1831-1879) et Heinrich Hertz 1857-1894(), que la théorie ondulatoire s'est imposée comme le modèle dominant pour décrire la lumière.
À la fin du XIXe siècle, la lumière était comprise comme une onde électromagnétique, et il était communément admis que, comme toute onde, elle nécessitait un milieu de propagation. Ce milieu hypothétique était appelé "éther luminifère" ou simplement "éther".
L'éther était supposé immobile et omniprésent, permettant ainsi aux ondes lumineuses de se propager à travers l'espace. Les scientifiques pensaient que la Terre se déplaçait à travers cet éther, et que ce mouvement devait affecter la vitesse de la lumière selon la direction dans laquelle elle se déplaçait par rapport à l'éther.

Objectif de l'expérience

L'objectif de Albert Abraham Michelson (1852-1931) et Edward Morley (1838-1923) était de mesurer les variations de la vitesse de la lumière en fonction de la direction du mouvement de la Terre par rapport à l'éther. Si l'éther existait, on s'attendait à ce que la vitesse de la lumière varie en fonction de l'orientation de l'expérience par rapport au mouvement de la Terre dans cet éther, en raison de l'effet Doppler.

L'effet Doppler est un phénomène physique qui se produit lorsqu'une source d'ondes (sonores, lumineuses, etc.) se déplace par rapport à un observateur. Il entraîne une variation apparente de la fréquence des ondes perçues par cet observateur, en fonction du mouvement relatif entre la source et l'observateur.

Description de l'expérience

Pour tester cette hypothèse, Michelson a conçu un dispositif appelé interféromètre.
Ce dispositif montrait la vitesse de la lumière dans son support supposé, en se basant sur la loi classique d'addition des vitesses.
L'appareil divisait un faisceau de lumière en deux faisceaux voyagant dans des directions perpendiculaires. Ces faisceaux, réfléchis par des miroirs, puis réintégrés devaient montrer des vitesses différentes et donc des franges d'interférence.

Le principe de base est le suivant : si la Terre, qui a une vitesse d'environ 30 km/s par rapport au Soleil, se déplace à travers l'éther, le faisceau de lumière qui se déplace dans la direction du mouvement de la Terre ne mettrait pas le même temps pour parcourir une certaine distance que le faisceau se déplaçant perpendiculairement. Ce décalage temporel devrait se traduire par un déplacement des franges d'interférence lorsqu'on fait pivoter l'appareil de 90 degrés.
Autrement dit, en raison du mouvement de la Terre à travers l'éther, la vitesse de la lumière devrait être différente selon la direction de propagation. Ce phénomène, prédit par la théorie ondulatoire de la lumière, devrait induire un déphasage des rayons lumineux et par conséquent un déplacement des franges d'interférence dans l'interféromètre de Michelson. Si l'éther existe, il devrait agir comme un "vent" qui ralentit la lumière se déplaçant dans le même sens que la Terre. Ce ralentissement devrait créer un décalage observable dans l'interféromètre.

L'analogie du nageur dans une rivière

Imaginez un nageur qui essaie de traverser une rivière. S'il nage perpendiculairement au courant, il arrivera de l'autre côté en ligne droite, mais le courant l'aura légèrement entraîné en aval. S'il nage dans le sens du courant, il avancera plus rapidement par rapport à la rive, mais la distance qu'il parcourt sera plus longue car il sera emporté par le courant.
La Terre, en se déplaçant autour du Soleil, "nageait" donc dans cet éther.

Résultats

À la surprise générale, les résultats des toutes les expériences entre 1881 et 1887 furent négatifs. Aucune différence de vitesse n'a été détectée, quelle que soit la direction du mouvement de la Terre autour du Soleil. Les franges d'interférence ne se sont pas déplacées comme on s'y attendait en présence d'un éther.

Conséquences théoriques

L'échec de la détection de l'éther a eu des répercussions majeures sur la physique théorique. Ce résultat a été l'un des indices cruciaux qui ont mené à la remise en question de l'existence de l'éther et, par la suite, au développement de la théorie de la relativité restreinte (1905) par Albert Einstein (1879-1955).

La relativité restreinte a supprimé le besoin de l'éther en postulant que la vitesse de la lumière dans le vide est constante et indépendante du mouvement de la source ou de l'observateur.

Impact sur la physique

L'expérience de Michelson et Morley est souvent considérée comme l'une des expériences les plus importantes de l'histoire de la physique. Elle a marqué un tournant décisif dans l'abandon de la théorie de l'éther et l'adoption de la relativité restreinte, qui a radicalement transformé notre compréhension de concepts fondamentaux comme l'espace, le temps, et la lumière.