L’expérience de Michelson et Morley

		L’expérience de Michelson et Morley

Les Américains Albert Michelson et Edward Morley tentent, en 1887, de déterminer la vitesse de la Terre dans l’éther, le milieu hypothétique dans lequel la lumière devait se propager. Le principe de l’expérience fait suite à une remarque de Maxwell : le temps d’un aller-retour de la lumière doit être différent selon qu’elle se propage dans la direction du mouvement de la Terre ou dans la direction perpendiculaire (si l’on admet que la loi de composition galiléenne des vitesses est aussi valable pour la lumière). Cependant, comme l’avait souligné Maxwell, la différence des temps est proportionnelle au quotient

où c est la vitesse de la lumière dans le vide et V la vitesse de la Terre : comme on s’attend à ce que V soit de l’ordre de grandeur de la vitesse de la Terre sur son orbite (soit 30 km/s), cette différence est très petite. Le génie de Michelson réside dans l’intuition que cet effet pouvait néanmoins être mis en évidence dans une expérience d’optique. Il conçoit pour cela un appareil entièrement nouveau qui porte aujourd’hui son nom : l’interféromètre de Michelson

Schéma de l'interféromètre de l'expérience de Michelson

Une source de lumière monochromatique (S) est placée devant un miroir semi-argenté (M) qui sépare en deux parties d’égales intensités le faisceau lumineux émis par (S). Les deux ondes se réfléchissent ensuite sur deux miroirs (M1) et (M2) disposés à égales distances de (M), reviennent vers (M) qu’ils traversent avant d’être réunies sur le détecteur (D). À ce niveau, la superposition des deux ondes produit une figure d’interférence, faite de l’alternance de bandes sombres et de bandes claires.
Imaginons qu’au départ l’interféromètre soit au repos par rapport à l’éther : dans ce cas, les temps d’aller-retour des deux faisceaux jusqu’au détecteur sont identiques car les deux « bras » (MM1) et (MM2) ont même longueur. Si l’interféromètre est mis en mouvement le long de (SM), la figure d’interférence va se déplacer légèrement car les temps d’aller-retour seront désormais distincts. En pratique, il est impossible de mettre au repos par rapport à l’éther un interféromètre car la Terre l’entraîne dans sa course autour du Soleil mais l’on contourne cette difficulté en faisant tourner de 90° l’interféromètre pendant l’expérience. Tout se passe comme si l’on échangeait les bras, c’est-à-dire que l’on changeait le signe de la différence des temps d’aller-retour : le déplacement des franges est donc doublé (par rapport au cas de l’interféromètre au repos). Michelson et Morley construisirent un appareil suffisamment grand pour mettre en évidence sans ambiguïté cette modification de la figure d’interférence. Ils n’observèrent cependant aucun déplacement, comme si il n’y avait pas de « vent d’éther » 1.

L'interféromètre historique de Michelson et Morley

1 Par analogie avec le vent ressenti lorsque l’on se meut dans de l’air immobile.