Expérience de Michelson et Morley-doute

[invitea2c2763b]

Bonjour.
Je fais un TPE sur l'histoire de la relativité restreinte et j'aborde donc l'expérience de Michelson et Morley. J'ai lu la description de l'expérience dans des tas de bouquins et de sites mais il y a un truc qui me chiffonne.
Le but de cette expérienc était de détecter le mouvement de la terre dans l'éther.
J'ai lu deux explications de l'expérience :
Selon la première, puisque l'éther imprégnait tout l'univers, la terre se mouvait dans l'éther immobile, à la vitesse de 30 km/s. On pouvait donc montrer que la vitesse de la Terre allait s'ajouter à celle de la lumière, l'éther jouant le rôle d'un référentiel fixe.
C'est à dire que si un rayon de lumière allait dans le sens du mouvement de la terre sa vitesse serait, par rapport à l'éther et selon la loi galiléenne d'addition des vitesses, c+30, et si il allait dans le sens inverse, c-30.
Mais c'était par rapport à l'éther ! comment pouvait mesurer la vitesse du rayon de lumière par rapport à l'éther en restant sur terre. d'après le principe de relativité galiléenne, dans un référentiel galiléen, aucune expérience mécanique interne ne permet de savoir si on est en mouvement ou non. Si on observait le déphasage, cela voulait dire que l'on savait que l'on était en mouvement par rapport à l'éther avec une expérience mécanique interne. L'addition supposé des vitesse de la lumière et de la terre se faisait par rapport à l'éther, je ne comprends pas comment il pouvait espérer la mesurer en restant sur terre. Sur terre, tout se passerait comme s'il était au repos et il n'observerait pas une différence dans la vitesse de la lumière. Quand on est dans un train et qu'on lance à balle à 10 km/h, on la voit aller à 10 km/h. Pour la voir aller à 10km/h + la vitesse du train il faut se mettre dehors. Or ils ont mesurer la différence de vitesses sur terre. Je ne comprends pas. Et même, je ne comprends pas en quoi cet expérience permettrait de détecter l'éther. les vitesses c+30 et c-30 qu'ils souhaitaient mesurer peuvent se mesurer dans le vide intersidéral, en regardant la terre avancer avec le rayon de lumière. Je ne vois pas en quoi cela pouvait détecter l'éther.

D'après la seconde explication, la terre, en avançant dans l'éther, produirait un vent d'éther opposé à son mouvement. Et là ce serait l'histoire du cycliste laché dans une descente qui reçoit le vent sur la figure ou du nageur dans la rivière. J'ai plus compris cette explication la, vu qu'on observait aucune variation de la vitesse de la lumière, cela voulait dire que l'éther n'existe pas, car sinon, selon la loi de galilée, le vent d'ether aurait acéléré ou ralentit la propagation du rayon lumineux. Or on ne l'observait pas. J'ai compris ça mais ce que je n'ai pas compris c'est pourquoi on en déduit l'invariance de c.
La vitesse de la lumière n'a pas bougé, donc il n'y pas de vent d'éther, c'est tout, mais qui dit que pr un observateur placé dans le vide intersidéral et qui regarde la terre, il ne voit pas le rayon de lumière aller à c+ 30 ?
Tout ce que ça démontre c'est qu'il n'y a pas de vent d'éther mais pas que c est invariante.
En bref, je n'ai rien compris. Je vous remercie d'avance de m'expliquer.
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[inviteca6ab349]

SAlut,

Une petite part de reponse : l'ether etait suppose etre le support materiel necessaire a la transmission des ondes EM (ie la lumiere) par analogie a ce qui se passe pour les ondes accoustiques qui ont besoin d'un gaz, fluide ou solide pour se transmettre. C'est sous cette hypothese qu'on aurait pu voir une difference de vitesses. Reste "bien sur" l'explication selon laquelle les milieux materiels (par exemple la Terre) entrainent l'ether avec eux ; cependant, d'autres manips ont montre que ca ne tenait pas (desole, je ne me rappelle pas qui a fait les dites manips).

[FC05]

Si mes souvenirs sont bons, c'est à cause des deux bras à 90° dans laquelle la lumiére se comporte de façon indentique.

[invite5e5dd00d]

Ca montre en tout cas que c ne dépend pas du mouvement de sa source, et cela pour toutes les directions. La lumière ne subit pas la vitesse d'entrainement de la mécanique Newtonienne.
Cette expérience veut donc dire deux choses :
-l'éther n'existe pas
-il n'y a pas de direction privilégiée pour la lumière

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitea2c2763b]

Mais comment ont-ils pu savoir que la vitesse de la lumière ne dépendait pas de sa source, pour cela, il aurait fallu se placer dans le réferentiel de l'éther, c'est à dire se placer dans l'espace et voir la terre avancer, et observer que la vitesse de la mière ne s'additionnait pas à celle de la terre. Mais ils étaient sur terre, comment ont-ils pu se placer dans le référentiel de l'éther ? Comment pouvaient-ils esperer décrire le mouvement par rapport à l'éther par une expérience mécanique interne ? C'est comme si on demandait au gars qui lance une balle à une vitesse w dans un train lancé à une vitesse v de mesurer la vitesse de la balle par rapport au quai (c'est à dire v+w) en restant dans le train. C'est en contradiction avec galilée. Je nee comprend pas

[invite88ef51f0]

Salut,

Comment pouvaient-ils esperer décrire le mouvement par rapport à l'éther par une expérience mécanique interne ?

Parce que ce qui compte pour la lumière, c'est l'éther. Ils pensaient que la lumière allait à c dans le référentiel de l'éther.

C'est comme si on demandait au gars qui lance une balle à une vitesse w dans un train lancé à une vitesse v de mesurer la vitesse de la balle par rapport au quai (c'est à dire v+w) en restant dans le train. C'est en contradiction avec galilée. Je nee comprend pas

Pas si la fenêtre est ouverte pour faire entrer le vent

[Tropique]

Hello

La "subtilité" de l'éxpérience MM est la suivante: la moyenne de deux vitesses n'est pas une moyenne courante, mais une moyenne harmonique: faire un trajet aller à 40km/h suivi d'un retour à 60km/h n'est pas équivalent à un trajet complet à une vitesse uniforme de 50km/h: la vitesse résultante est un peu plus faible dans le premier cas, et c'est celà que M&M cherchaient à détecter sur le trajet aligné avec la vitesse de la terre.
Cela dit, l'intérprétation nécéssite encore un peu plus de subtilité, car sur les trajets perpendiculaires, il faudrait tenir compte du fait que la lumière n'arrive pas de façon rigoureusement normale aux miroirs; ils ont d'ailleurs refait expérience et calculs en tenant compte de celà, mais même ainsi, des contestations sont encore possibles en fonction de la façon dont on imagine les propriétés d'un éther supposé. En résumé et en toute rigueur, cette expérience ne prouve pas grand chose, mais à l'époque elle a eu le mérite de lancer le débat et de mettre les choses en mouvement.
A+

[chaverondier]

Comment pouvait mesurer la vitesse du rayon de lumière par rapport à l'éther en restant sur terre.

En fait, l'existence ou pas d'un éther n'a pas de rapport avec le résultat de l'expérience de Morley Michelson. L'expérience de Morley Michelson a confirmé que la lumière obéissait elle aussi au principe de relativité du mouvement et cela invalidait la Relativité Galiléenne.

En effet, si les distances et durées avaient été invariantes par changement de référentiel Galiléen (comme le prévoyait la Relativité Galiléenne) alors on aurait eu (qu'un éther existe ou pas) :

Temps d'aller-retour de la lumière le long d'un solide de longueur L0 orienté dans la direction du mouvement de l'observateur (de vitesse v) : T = L0/(c-v)+L0/(c+v)

Temps d'aller-retour de la lumière le long d'un solide de longueur L0 orienté dans la direction perpendiculaire au mouvement de l'observateur : T = 2L0/(c^2-v^2)^(1/2). Ce résultat s'obtient en appliquant le théorème de Pythagore à la distance parcourue en zig-zag par le rayon lumineux (du fait du mouvement du solide en question).

La mesure (par interférométrie) de cette différence de temps de parcours aurait permis de définir une vitesse absolue v du référentiel de l'observateur (qu'un milieu de propagation des ondes existe ou pas). BC

[invitea3eb043e]

Il faut bien comprendre une chose : les lois de Newton sont invariantes quand on change de repère galiléen, donc pas de repère privilégie.
Il n'en va pas de même des équations de Maxwell si on applique les formules de changement de repère de Newton. De plus, on peut assez facilement montrer que l'on a :
µ0 epsilon0 c² = 1 donc que la vitesse de la lumière se déduit directement des constantes fondamentales. D'où l'idée que ces équations ne sont valables que dans un repère priviliégié qu'on a appelé l'éther par convention et qu'on a recherché, notamment par l'expérience de Morley-Michelson.

[chaverondier]

Il faut bien comprendre une chose : les lois de Newton sont invariantes quand on change de repère galiléen, donc pas de repère privilégié.

Par contre, dès que l'on suppose l'existence d'interactions se propageant à une vitesse finie indépendante de la vitesse de leur source (c'est le cas de l'interaction électromagnétique et des 3 autres interactions), tout en souhaitant conserver la Relativité Galiléenne pour les autres phénomènes, apparaît un référentiel privilégié : celui où la lumière est isotrope.

L'électromagnétisme (et l'hypothèse d'un milieu de propagation des ondes électromagnétiques) entrait donc en conflit avec la Relativité Galiléenne car, dans ce cadre, l'électromagnétisme violait le principe de Relativité du mouvement.

D'où l'idée que ces équations ne sont valables que dans un repère priviliégié qu'on a appelé l'éther par convention et qu'on a recherché, notamment par l'expérience de Morley-Michelson.

Cette expérience a confirmé au contraire le fait que le principe de relativité était applicable aussi à la lumière. Elle a de plus mis ainsi en défaut l'hypothèse (propre à la Relativité Galiléenne) selon laquelle longueurs et durées étaient invariantes par changement de référentiel inertiel. En Relativité Restreinte, il a contraction de Lorentz de la longueur d'un objet observé quand on change l'objet observé (ou l'observateur) de référentiel inertiel. On y observe aussi la dilatation temporelle de Lorentz. Une horloge bat plus lentement aux yeux d'un observateur si l'on change cet horloge (ou l'observateur) de référentiel inertiel.

Si l'on définit l'éther non pas vaguement (comme une sorte de "milieu de propagation des ondes" sans préciser ce dont il s'agit), mais au contraire précisément comme un référentiel inertiel privilégié vis à vis duquel l'observateur disposerait de moyens physiques de mesurer sa vitesse, l'éther ainsi défini est incompatible avec le principe de relativité du mouvement, c'est à dire avec l'invariance de Lorentz très largement vérifiée à ce jour. BC

[invited9018510]

Bonjour,

Comme le physicien Fizeau l'a démontré au moyen de mesures ,un rayon lumineux se propageant dans une eau courante,n'a pas une égale vitesse a contre-courant et dans le sens du courant.
Et a mon avis c'est la même chose si l'on substitue a l'eau courante,une masse gazeuse en mouvement de translation avec la Terre.
Comme l'effet n'est pas observé extérieurement ,la vitesse de propagation de la lumière dans des directions contraires parallèles a la surface de la Planète(entre les pôles géographiques)apparait égale et constante lors des mesures.
En effet l'absorption et réémissions des photons par les gaz composant l'air et ralentissant la propagation des photons ,n'est pas identique ,puisque le milieu transparent traversé est linéairement mobile dans une direction,par rapport aux photons s'y propageant vers le sud et ceux se propageant vers le nord.
Un rayon se propageant dans l'axe nord-sud est entrainé(comme il l'est dans l'eau courante).Et dans la direction sud-nord ce rayon se verra ralenti = égalisation de la vitesse de propagation des photons,sauf erreur de ma part.
Si ce raisonnement est correct (tout semble le démontrer),il n'y a plus besoin d'une hypothèse ad-hoc comme la contraction des longueurs d'espace-temps.
Evidemment cela peut se discuter

[chaverondier]

Il n'y a plus besoin d'une hypothèse ad-hoc comme la contraction des longueurs d'espace-temps.

Il n'y en a effectivement pas besoin puisque contraction de Lorentz des distances et dilatation temporelle de Lorentz se déduisent des transformations de Lorentz, transformations qui, elles-mêmes, émergent du principe de relativité (de la position, de l'instant, de l'orientation spatiale et du mouvement). BC

[invitea3eb043e]

Ce qui serait dommage, ce serait de penser que le concept d'éther était stupide. Il correspondait à une certaine époque avant 1900 alors qu'on connaissait les transformations de Lorentz mais qu'on n'avait pas l'idée qu'elles étaient les bonnes dans tous les cas. C'est Einstein qui a généralisé, mais cette expérience de Michelson-Morley a été un des piliers de la relativité. Une idée géniale sans preuve expérimentale n'est qu'une idée fumeuse.

[invited9018510]

Ce qui serait dommage, ce serait de penser que le concept d'éther était stupide. Il correspondait à une certaine époque avant 1900 alors qu'on connaissait les transformations de Lorentz mais qu'on n'avait pas l'idée qu'elles étaient les bonnes dans tous les cas. C'est Einstein qui a généralisé, mais cette expérience de Michelson-Morley a été un des piliers de la relativité. Une idée géniale sans preuve expérimentale n'est qu'une idée fumeuse.

Bonjour,

L'ether n'était que le support a la propagation des ondes lumineuses.Ce n'est que devant les expériences négatives avec les interféromètres,que Lorentz a postulé que par exemple un électron ,la masse de la Terre se contractaient dans la direction du mouvement.

Ensuite grâce a la découverte de l'énergie discrète de Planck (four noir),A.Einstein a pu quantifier l'énergie lumineuse ,et énoncer qu'elle se propage sans support ,avec une vitesse constante pour tous les observateurs.L'effet photoélectrique est une confirmation de la nature corpusculaire(mais duale)de la lumière : ce qui a valut un prix Nobel a A.Einstein ;comme tout le monde le sait

[chaverondier]

L'éther n'était que le support à la propagation des ondes lumineuses. C'est seulement devant les expériences négatives avec les interféromètres que Lorentz a postulé que, par exemple, un électron, la masse de la Terre se contractaient dans la direction du mouvement. Einstein a pu quantifier l'énergie lumineuse et énoncer qu'elle se propage sans support.

L'expérience de Morley Michelson n'apporte ni confirmation, ni infirmation de l'existence d'un milieu de propagation des ondes électromagnétiques. Elle invalide l'hypothèse d'invariance des longueurs et durées par changement de référentiel inertiel (propre à la Relativité Galiléenne) et la possibilité qui en aurait découlé de mesurer la vitesse de l'observateur vis à vis d'un support de propagation des ondes supposé.

Elle confirme le respect du principe de relativité dans cette expérience, principe qui conduit aux transformations de Lorentz, donc à la contraction de Lorentz des distances et à la dilatation temporelle de Lorentz des durées lors d'un changement de référentiel inertiel des systèmes observés (ou au contraire de l'observateur de ces systèmes). Il n'est donc pas nécessaire de postuler contraction de Lorentz et dilatation temporelle de Lorentz puisque ces effets (peu importe le vocabulaire avec lequel on les présente) découlent du principe de relativité.

Maintenant, pour tâcher de donner un sens à la question de compatibilité ou pas d'un milieu de propagation des ondes électromagnétiques avec le principe de relativité, je serais tenté de poser la question de la façon suivante :

Le principe de relativité interdit-il que la propagation de la lumière dans le vide du champ électromagnétique repose sur un mécanisme d'émissions et d'absorptions successives de photons (comme cela se produit quand la lumière se propage dans un milieu matériel) ?

Si oui, comment la violation du principe de relativité (découlant d'un mécanisme de propagation de la lumière dans le vide par une succession d'émissions absorptions) serait-elle observable (1) ? BC

(1) A noter que hypothèse d'un tel mécanisme de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide offrirait la possibilité de conserver la théorie de l'absorbeur (formulation T-symétrique de l'électromagnétisme envisagée par Wheeler et Feynman) dans les situations où le flux des photons émis n'est pas égal au flux des photons absorbés (situations qui avaient conduits Wheeler et Feynman à abandonner la théorie de l'absorbeur).

[invited9018510]

L'expérience de Morley Michelson n'apporte ni confirmation, ni infirmation de l'existence d'un milieu de propagation des ondes électromagnétiques. Elle invalide l'hypothèse d'invariance des longueurs et durées par changement de référentiel inertiel (propre à la Relativité Galiléenne) et la possibilité qui en aurait découlé de mesurer la vitesse de l'observateur vis à vis d'un support de propagation des ondes supposé.

Elle confirme le respect du principe de relativité dans cette expérience, principe qui conduit aux transformations de Lorentz, donc à la contraction de Lorentz des distances et à la dilatation temporelle de Lorentz des durées lors d'un changement de référentiel inertiel des systèmes observés (ou au contraire de l'observateur de ces systèmes). Il n'est donc pas nécessaire de postuler contraction de Lorentz et dilatation temporelle de Lorentz puisque ces effets (peu importe le vocabulaire avec lequel on les présente) découlent du principe de relativité.

Maintenant, pour tâcher de donner un sens à la question de compatibilité ou pas d'un milieu de propagation des ondes électromagnétiques avec le principe de relativité, je serais tenté de poser la question de la façon suivante :

Le principe de relativité interdit-il que la propagation de la lumière dans le vide du champ électromagnétique repose sur un mécanisme d'émissions et d'absorptions successives de photons (comme cela se produit quand la lumière se propage dans un milieu matériel) ?

Si oui, comment la violation du principe de relativité (découlant d'un mécanisme de propagation de la lumière dans le vide par une succession d'émissions absorptions) serait-elle observable (1) ? BC

(1) A noter que hypothèse d'un tel mécanisme de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide offrirait la possibilité de conserver la théorie de l'absorbeur (formulation T-symétrique de l'électromagnétisme envisagée par Wheeler et Feynman) dans les situations où le flux des photons émis n'est pas égal au flux des photons absorbés (situations qui avaient conduits Wheeler et Feynman à abandonner la théorie de l'absorbeur).

Bonsoir,

Comme l'énergie lumineuse est indiscutablement quantifiée ,il ne peut qu'y avoir interaction avec les milieux matériels lors de la propagation,et non pas support.

Les photons se déplacent en vertu de leur énergie dès leur émission,et leur vitesse dans le vide est légèrement plus grande que dans l'air justement parce qu'il n'y a ni absorptions, ni réémissions - sauf erreur de ma part-.

La propagation peut juste être déviée par la densité locale d'énergie déformant l'espace-temps.Mais là on est déja dans la RG ,quoique il s'agisse du même espace,qui ne peut qu'être vide d'objets macroscopiques ,et non representer un vide par lui même déja en R.R.C'est une question d'énergie je crois ?

Un spécialiste pourrait en dire beaucoup plus que ma personne sur ce sujet.

Amicalement

[chaverondier]

Comme l'énergie lumineuse est indiscutablement quantifiée.

En fait, ce sont les niveaux d'énergie des atomes ou molécules émettant ou absorbant des photons qui sont quantifiés. C'est là l'origine du caractère quantifié de l'émission et de l'absorption du rayonnement électromagnétique. L'effet Compton atteste cependant du fait que ces quanta d'énergie électromagnétique auraient une sorte d'existence individuelle entre le moment où ils sont émis et celui où ils sont absorbés (1).

Il ne peut qu'y avoir interaction avec les milieux matériels lors de la propagation, et non pas support.

Le rôle support joué par un milieu dans le transport de la lumière se manifeste précisément par des émissions-absorptions successives de quanta d'énergie électromagnétique.

Les photons se déplacent en vertu de leur énergie dès leur émission, et leur vitesse dans le vide est légèrement plus grande que dans l'air justement parce qu'il n'y a ni absorptions, ni réémissions - sauf erreur de ma part-.

Or on constate que la vitesse de la lumière dans le vide situé entre les deux plaques de l'effet Casimir (où le vide est "un peu plus vide" en raison de l'élimination des modes d'oscillations du vide ne satisfaisant pas aux conditions limites imposées par ces plaques) est légèrement plus grande que dans un vide "normal".

Il est tentant d'imaginer qu'il y aurait (en quelque sorte ?) encore moins d'émissions absorptions successives dans le vide situé entre les deux plaques de l'effet Casimir que dans un vide "normal" (un vide "un peu moins vide"). Cela expliquerait que l'on ait un indice de réfraction inférieur à 1 dans le vide situé entre les plaques de l'effet Casimir.

D'où la question posée : serait-il compatible avec nos connaissances actuelles que la lumière se déplace dans le vide quantique du champ électromagnétique par des émissions et absorptions successives (comme elle le fait dans tous les autres milieux) ?

En tout cas, il est logique de se poser cette question si l'on souhaite préciser le sens physique de cette notion de milieu de propagation des ondes électromagnétiques (notion de milieu évoquée à tort et à travers dans des exposés basiques sur la relativité pour dire qu'il n'existe pas sans préciser de quoi on parle) avant de s'aventurer à débattre de son existence.

La propagation peut juste être déviée par la densité locale d'énergie déformant l'espace-temps.

Laissons la gravitation de côté pour l'instant. La réponse à la question posée repose sur l'électrodynamique quantique et je ne sais pas si l'image d'émissions-absorptions successives de photons par le vide quantique du champ électromagnétique y est acceptable, envisageable ou inacceptable (bref si baptiser le vide quantique du champ électromagnétique de milieu est acceptable, envisageable ou inacceptable).

Plus précisément, pourraît-on imaginer qu'il y ait propagation de photons dans le vide par une succession de créations annihilations de paires particules/antiparticules instables (comme du positronium par exemple, mais je vois déjà une objection : comment couvrir toute la gamme des fréquences avec un spectre discret à moins d'avoir des paires de particules virtuelles donc se situant en dehors de leur couche de masse ?) ?. BC

(1) et en même temps on a tendance à dire que le photon existe uniquement quand on l'observe puisque, selon Asher Peres, "unperformed measurements have no outcomes" contrairement à ce que pensent (pensaient?) les "réalistes" (je ne sais pas s'il en reste beaucoup).