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Albert A. Michelson

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Albert Abraham Michelson
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InconnuVoir et modifier les données sur Wikidata
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Margaret Hemingway (d)
Edna Stanton (d)Voir et modifier les données sur Wikidata
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Hanna Holborn Gray Special Collections Research Center (d)[1]
Nimitz Library (d) (MS 347)[2]
Niels Bohr Library & Archives (d) (AR 179, 3951)[3]Voir et modifier les données sur Wikidata
signature d'Albert A. Michelson
Signature
Schéma du dispositif Fizeau-Foucault et de son amélioration par Michelson

Albert Abraham Michelson, né le à Strelno en Prusse dans la province de Posnanie et mort le à Pasadena, en Californie, est un physicien américain. Il a reçu le prix Nobel de physique de 1907 « pour ses instruments optiques de précision et les études spectroscopiques et métrologiques qu'il a menées grâce à ces appareils[4] », devenant ainsi le premier récipiendaire américain du prix de physique. Il reçut par ailleurs la médaille Copley la même année.

Sa famille émigre aux États-Unis en 1855, s'installant dans la ville de Virginia City (Nevada), avant de déménager à San Francisco où il poursuit ses études. Cadet de l'École navale des États-Unis en 1869, puis officier de marine diplômé en 1873, il devient instructeur en physique-chimie de 1875 à 1879 après deux ans aux Antilles. En poste à l'observatoire naval des États-Unis en 1879, il part l'année suivante en Europe pour la poursuite de ses études. Après ses passages aux universités de Berlin et Heidelberg en Allemagne ainsi qu'au collège de France et à l'École poytechnique[5],[6], il retourne aux États-Unis pour être professeur de physique à Cleveland. Il obtient ensuite ce même poste à Worcester en 1890 puis à Chicago en 1892. Il rejoint de nouveau la marine pendant la première guerre mondiale, au terme de laquelle il retourne à Chicago.

Son influence scientifique est particulièrement importante en optique. Ses travaux le menèrent à mesurer à grande précision la vitesse de la lumière : entre 1924 et 1926, il effectue des mesures entre le mont Wilson et le mont San Antonio (en) (distants de 35 km) en Californie, obtenant ainsi une valeur de 299 796 ± 4 km/s dans le vide, ce qui resta pendant plusieurs années une référence[7]. Il crée en 1881 son interféromètre. Il reçoit en 1907 le prix Nobel de physique et la médaille Copley. Il est également lauréat de la médaille Franklin en 1923[8].

La résolution de son interféromètre de 1881 étant trop proche de l'écart qu'il voulait mesurer, ce n'est qu'à la suite de son association avec Edward Morley en 1887 que les problèmes de l'existence de l'éther et de l'invariance de la vitesse de la lumière furent posés, résolus en 1905 par la théorie de la relativité restreinte.

Michelson contribua à la mise au point de la technique de la synthèse d'ouverture, imaginée par Hippolyte Fizeau, pour déterminer le diamètre apparent des étoiles par des méthodes interférométriques.

Michelson est décédé à Pasadena en 1931[9].

Travail scientifique

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Motivation de son travail

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Beaucoup des travaux de Michelson visaient à établir la vitesse de la lumière par rapport à un système de référence absolu hypothétique. On considère à l'époque que l'univers est plongé dans l'éther, support de propagation de la lumière. Michelson s'attendait à ce que la vitesse de la lumière dépende du mouvement de la Terre par rapport à l'éther, ce qui le conduit à utiliser un système interférométrique[10].

Cette mesure de vitesse à effectuer l'a mené à élaborer un interféromètre : en faisant interférer deux rayons issus d'un même rayon puis suivant des trajectoires orthogonales, Michelson pu étudier les franges d’interférence et leur variation lors de la rotation de son appareil pour en déduire le retard des rayons séparés[11].

Interféromètre de Michelson

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L'interféromètre de Michelson est un instrument optique construit pour permettre la démonstration de l'existence de l'éther (substance supposée véhiculer la lumière). C'est un interféromètres à division d'amplitude c'est-à-dire qu'il fait interférer deux faisceaux issus d'un même faisceau source ayant été dissociés par une lame semi réfléchissante. Les chemins optiques parcourus par les deux faisceaux sont réglables en faisant se translater deux miroirs sur lesquels ils se reflètent avant d’interférer[12].

L'interféromètre de Michelson est toujours utilisé pour la mesure de la planéité des dispositifs optiques.

Expérience de Michelson et Morley

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L’expérience de Michelson et Morley (1887) avait pour objectif de démontrer l'existence de l'éther, milieu dans lequel on supposait que se propageait la lumière. Elle consistait à mesurer la différence de la vitesse de la lumière entre deux directions perpendiculaires, à six mois d’intervalle. L’expérience fut considérée comme un échec puisque les différences attendues ne purent être constatées[13]. Ce n'est que plus tard que Hendrik Lorentz interprète ces résultats comme étant l'expression d'une réalité physique inattendue, à savoir le caractère absolu de la vitesse de la lumière[14][réf. à confirmer].

L'interférométrie stellaire

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Hippolyte Fizeau avait montré vers 1865 à l'Académie des sciences la possibilité théorique de mesurer le diamètre apparent des astres par interférences de la lumière stellaire, et un prototype avait été fabriqué par M. Stephan, alors directeur de l’Observatoire de Marseille. On ignore toutefois si Michelson était au courant de ces recherches[15], mais il exploité à son tour cette idée à partir de 1890.

Adaptant un interféromètre à deux fentes à un télescope de 305 mm, Michelson entreprit en 1891 de mesurer le diamètre apparent des quatre satellites de Jupiter, et constata une concordance excellente avec les données publiées. Il lui fallut pourtant encore 25 années de recherches avant de construire le premier interféromètre stellaire opérationnel : appareil qui renvoyait la lumière sur deux réflecteurs plans écartés de 6 m sur le miroir de 2,5 m du télescope de l’Observatoire du Mont Wilson.

Munis de cet instrument, Michelson et Francis G. Pease (1881–1938) purent réaliser de nouvelles mesures de diamètre : d'abord celui de Bételgeuse, qu'ils fixèrent en décembre 1920 à 390 millions de kilomètres, soit à peu près le diamètre de l'orbite de Mars; ainsi la géante rouge Bételgeuse se trouvait avoir 300 fois la taille du Soleil. Hale (1921) indique[16] qu'avec un écartement des fentes de 6 pieds, la figure d'interférences était encore bien visible. Elle était très atténuée à l'écartement de 8 pieds, et avait complètement disparu à 10 pieds. Considérant une longueur d'onde moyenne de 550 nm, on pouvait en déduire un diamètre apparent de 0,045″.

Suivirent six autres mesures. Forts de ces premiers succès, ils entreprirent la construction d'un nouvel interféromètre, aux miroirs écartés cette fois de 15 m ; mais cet appareil perfectionné ne permit d'obtenir qu'un seul nouveau diamètre, et les campagnes de mesures reprirent jusqu'en 1931[17].

Distinctions

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Postérité

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Œuvre scientifique

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  • Light Waves and Their Uses (1899-1903, ouvrage de physique)[23]
  • A. Michelson, Velocity of Light : The Man Who Measured the Speed of Light, Honeywell, (réimpr. 1964), 114 p.
  • Studies in Optics (1927, ouvrage de physique)[24].

Notes et références

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  1. « https://www.lib.uchicago.edu/e/scrc/findingaids/view.php?eadid=ICU.SPCL.MICHELSON »
  2. « https://www.usna.edu/Library/sca/man-findingaids/view.php?f=MS_347 »
  3. « https://history.aip.org/ead/20090280.html »
  4. « The Nobel Prize in Physics 1907 », Fondation Nobel (consulté le ) : « for his optical precision instruments and the spectroscopic and metrological investigations carried out with their aid »
  5. « Albert A. Michelson », sur Optica (formerly OSA)
  6. « Albert A. Michelson », sur University of Chicago : PSD Trailblazers
  7. Document pédagogique de l'Observatoire de Paris, « Les mesures modernes de la vitesse de la lumière » [PDF], sur expositions.obspm.fr.
  8. (en) « Albert A. Michelson : Biographical », sur nobelprize.org.
  9. En novembre 1929, la mort de Michelson a été annoncée par erreur par l'Académie des sciences, cf. http://cnum.cnam.fr/CGI/fpage.cgi?4KY28.118/97/100/598/5/588 et http://cnum.cnam.fr/CGI/fpage.cgi?4KY28.118/183/100/598/5/588
  10. Physique générale: Ondes, optique et physique moderne sur Google Livres
  11. Fondements d'une théorie newtonienne des mouvements relatifs sur Google Livres
  12. [1], cours de Henry Benisty de l'institut d'optique
  13. (en) Albert A. Michelson et Edward W. Morley, « On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether », American Journal of Science, vol. XXXIV, no 203,‎ (lire en ligne [PDF]), (wikisource:On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether).
  14. Physique: Optique et physique moderne sur Google Livres
  15. A. Labeyrie, S.G. Lipson et P. Nisenson, An Introduction to Optical Stellar Interferometry, Cambridge, Cambridge University Press, (ISBN 0-521-82872-4), p. 2 et suiv
  16. G.E. Hale, « The Angular Diameter of Alpha Orionis », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 81,‎ , p. 166 et suiv.
  17. Labeyrie et al., op. cit., p. 4 et suiv.
  18. Riad Haïdar, Sous la lumière, les hommes, EDP Sciences, , 190 p., « Rumford ».
  19. a et b « accademiaxl.it/en/awards/120-m… »(Archive.orgWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?).
  20. (en) « The Nobel Prize in Physics 1907 », sur NobelPrize.org (consulté le ).
  21. Boston Interactive - http://www.bostoninteractive.com, « Henry Draper Medal », sur nasonline.org via Wikiwix (consulté le ).
  22. « Prix Michelson »
  23. (en) « Light waves and their uses : Michelson, Albert Abraham, 1852-1931 : Free Download, Borrow, and Streaming : Internet Archive », sur Internet Archive (consulté le ).
  24. Studies in Optics sur Google Livres

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Articles connexes

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Liens externes

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  • (en) Biographie sur le site de la fondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate — le Nobel Lecture — qui détaille ses apports)