Mesure de la vitesse de la lumière: étude optique des surfaces

5 5 5 2 . 0 1 1 5 X

LES CLASSIQUES DE LA SCIENCE

Publiéssous la direction deMM

.

H. ABRAHAM,H. GAUTIER . H. LE CH ATELIER, J.^LEMOINE

I I

M E S U R E D E L A V I T E S S E

D E L A L U M I È RE

É T U D E O P T I Q U E

D E S SURFACES

MÉ M O I R E S

de

LÉ O N F O U C A U L T

A v e c3 p l a n c h e s h o r st e x t e

.

ü . F . R . J

.

BLIOTECAs

,r^,

HEGlSTR

.

DATA

3 m ^{\ MJi}

L I B R A I R I E A R M A N D C O L I N

P A R I S 1 0 3, B O U L E V A R D S A I N T

-

M I C H E L,

1 9 2²

Tousdroit#de reproduction,detraductionetd^’adaptationréservéspourtous pays

.

2^e Edition

.

I

AVERTISSEMENT

! En publiant la collection des Classiques

de la

Science,

nous

esp é

rons ê

tre utiles à tous ceux que la Physique et la Chimie intéressent,

aux

professeurs, aux étudiants des grandes Ecoles et des Facult

é

s , aux

é

l

è

ves des classes de l

^'

Enseignement secondaire .

Notre intention est de pr é senter successivement

au

public scientifique les m émoires fondamentaux dus

^aux

savants franç ais et

é

trangers qui ont ouvert les grands chapitres

de la

science.

Chacun des volumes de la collection comprendra soit divers mémoires d

^’

un seul savant , soit des mé moires de plusieurs auteurs

se

rapportant à un m

ê

me ordre d

’

idé

es

.

La Société française de Physique

a

fait ré imprimer,

d’ une

faç

on

luxueuse,

lesœ uvres

de quelques physiciens fran çais (Amp

^ère

, Coulomb , Becquerel , Curie , etc

.

) . En Allemagne, Ostwald a publi é , dans

sa

langue, de

nom

-

breux

m é

moires dus

à

des chimistes et des physiciens de diverses

nationalités

.

Nous voulons réaliser de m

ême,

dans un but d

’

intér

ê

t

g én

é

ral ,

une

édition française à bon marché , facilement

accessible au grand nombre . Nous le faisons d

’ une

fa çon

absolument désintéressé

e

,

ce

qui nous a permis de

demander

^aux

é diteurs des sacrifices correspondants .

Auteurs et é diteurs esp è rent que le public , par l

’

accueil

AVERTISSEMENT

lente^, maiscertaine, de l^’observation

,

pour de sé

duisantes

rêveries, peut

-

^{être seront-ils arrê}

t

és sur ce terrain glissant en voyant un hommede génie qu’aucun dé tail nerebutait

.

Et d’ailleursà une époque où, sauf quelques

honorables

exceptions,la publication d^'un livre est une opération pure

-

ment mercantile; où les traités de science,surtout

,

taillés sur le mê

me

patron, ne diffèrent entre eux que par des nuances de rédaction souvent imperceptibles; où chaque auteur néglige bien scrupuleusement touteslesexpé

riences

,

toutes

les théories

,

tous les instruments que son prédé

ces -

seurimm édiat aoubliésou méconnus

,

onaccomplit

,

jecrois

,

un devoir en dirigeant l’attention des commençants

vers

les

sources

originales.C’est là,etlàseulement, qu’ils puiseront d^’importants sujets derecherches;c^’est là qu’ils

trouveront

l^’histoire fidèle des découvertes, qu’ilsapprendront à dis

-

tinguerclairementle vrai de l^'incertain

,

àsedéfier enfin,des théories hasardées que les compilateurs sans

discernement

adoptent

avec

uneaveugleconfiance

.. .

^)#

[Ann

.

^{de Phys,}et Chim

.

^{[2], LIV, 396,1833.)}

AVERTISSEMENT VII

qu’il fera à ces classiques , leur apportera la preuve que la publication ré pondait bien à une nécessit é .

Cette publication para

î

t d

^'

ailleurs

ê

tre la réalisation d

’

un vœ u que l

^’on

trouve souvent formul é par de nom -

breux écrivains qui ont recommand é la lecture des m é moires originaux comme le meilleur moyen ^{de d}

^éve

- lopper chez les é tudiants l

^’

esprit scientifique, tout en contribuant aussi

à

leur culture litt

éraire

. Nous donnons ci - ^dessous quelques citations de savants qui nous parais

^-

sent avoir encourag

é à

l ’avance notre tentative .

LeComitéde Publication :

VI

II

^.

ABRAHAM, H

.

GAUTIER , H

^. LE

CHATELIER , J

^.

LEMOINE .

Éloge historique d^’Alexandre Volta^.

ParFRANçOISARAGO,

Secrétaire perpétueldeVAcadémie desSciences

.

(Lu à la séance publique du 26 juillet 4833.)

«

. . .

Lalettre àLichtenberg

,

en date de 1786

,

dans laquelle Volta établit ^{par de} nombreuses expériencesles propriétés des électromètres à paille, renferme sur les moyens de rendre cesinstrumentscomparables

,

surla

mesure

des plus fortes charges,sur certainescombinaisons del’é

lectrom

è

tre

et du condensateur, des vues inté

ressantes

dont on est étonné de ne trouver

aucune

trace dans les

ouvrages

les plus récents. Cettelettre

ne

sauraitêtre trop recommand ée aux jeunesphysiciens. Elle les initieraàl’art sidifficiledes

Bxpériences; elleleur apprendraà se défier des premiers aperçus

,

àvariersans cessela forme desappareils;etsiune imagination impatientedevaitleur faire abandonner la voie

Les méthodes d^’enseignement des sciences expérimentales.

Par LUCIEN POINCARÉ.

( Conférence duMuséepédagogique,4904.)

/.

«

. ..

Retenonsaussiceconseildelire parfoisauxélè

ves

ce qu^’ontécrit les grands savants

eux -

^mêmes

.

Eh quoi !dira

-

t-on^, vous voudriezqu’on lût,au lycée,lesmémoires origi

-

naux;folle entreprise ! Nesentez

-

vous pas que vous

con -

damneriez ainsi les malheureux enfants déjà

surmen

és à une nourriture trop substantielle,qu’ilsne sauraient digé

rer,

et qu^’ils ne pourront absolument rien comprendre à un langage beaucoup tropélevé et trop compliqué pour

leurs

AVERTISSEMENT

apprenant

^{dans un cours les résumés des expé}riences de Lavoisier ^{ou de} Dumas^{, on n'}é tudie pas mieux la science qu’on n’étudierait ^la

po

ésie dramatique en apprenant des résumésdespièces de

Corneille

^{. A c}ôté et autour des faits^, il y^a toutuncortèged’idées dans un cas, de sentiments et de mélodie dans l^’

autre,

qui constituent bien plus que les faits

mat

ériels la science ou la

po

ésie

.

Les

r

ésumé

s,

bons pourlapréparation

aux

examens, sont stériles pour ledéve

-

loppementde l^’esprit

et

de l’imagination.

. .

»

[Revue générale des Sciences, IX,104,1898.)

VIII AVERTISSEMENT IX

jeunes

intelligences

? Il y a ici, bien

entendu,

une question de tact, et Von devrasoigneusementréglerla doseselon la

mesure

des intelligences à quil’on s^’adressera;maisqu^'on vérifie

par

l^’expérience

,

et l’onconstalera que telle ou telle page écrite par

un

Pascal, un Arago ou un Berthelot, a^, dans

sa

profondeur

,

plus de lumineuse clarté et plus de réelle simplicité que les chapitrescorrespondantsde beau

-

coup de traités, dits élémentaires

,

o ù des auteurs

,

qui

remontent

rarement à la sourceet qui se copientsouvent lesuns lesautres,ont reproduit,

avec

des déformations de plusen plusfâcheuses

,

lapenséepremiè

re

des inventeurs

. . .

^»

t

!

r

L’enseignement scientifique généraldans ses rapports avec l^'industrie

.

Par HENRY LE CHATELIER

.

«

. ^. .

Pour développercette activité

individuelle,

il faudrait que, dans les sciences expérimentales, comme cela existe pour les sciencesmathématiques, lesdevoirsécrits,les

tra -

vaux personnels des élè

ves

tinssent une large place dans l^’enseignement, et neseréduisissentpasàquelquesrarescal

-

culs mathématiques, le plus souvent dépourvus d^’intérêt

,

sur telle ou telle question de physique

.

On pourrait faire analyser les

m

émoiresscientifiques originaux qui sontrestés classiques : ceux de Lavoisier, Gay-Lussac, Dumas, Sadi Carnot

,

R^égnault, Poinsot,en

demandant

de bien mettre en relief leurs points essentiels; faire discuter les avantages comparatifs de deux méthodes expérimentales ayant un mêmeobjet:celle du calorimètreàglace etdu calorim ètreà eau

, par

exemple ; faire des

programmes

d^’expériences pour desrecherches sur un sujet donn^é: en un mot^,imiter

ce

qui se fait

avec

beaucoup de raison dans l’enseignement litté- raire. Avanttout

,

ce qu^’il faudraitemprunteràcetenseigne

-

ment est la lecture régulière des auteurs classiques

.

En

\ .

T A B L E D E S M A T I È R E S

Pages

AVERTISSEMENT . .

^v

PREMIÈRE PARTIE^.

—

Mesuredela vitesse^dela lumi^è

re

^. FOUCAULT

. Notice biographique

M é thode g

é

n érale pour mesurer

la

vitesse de la lumi

ère

Sur les vitesses relatives de la lumi

ère

dans l

’

air et dans l

’

eau

D é termination exp é rimentale de la vitesse de la lumi

ère

. ^{Parallaxe du soleil}

D

é

termination exp

é

rimentale de la lumi ère. Des -

cription ^des appareils

1

3 14

44 46 DEUXIÈME PARTIE.

—

^Étude optiquedessurfaces^.

Sur

un

nouveau t

é

lescope

^{en verre}

argent é . . .

M

^é

moire sur la construction des t

^é

lescopes en

verre

argent

é

Sur la construction du plan optique

1

C

6

Sur

la

m

é

thode suivie par L

éon

FOUCAULT pour

reconna

^ître

si la surface

d’un miroir est

rigou -

reusement parabolique .

M é thode d

’

autocollimation de L

éon

FOUCAULT

^{. .}

119

51

55

%

114

M É MOIRES ^{RE L} É ON FOUCAULT

S U R

LA VITESSE DE LA LUMI

È

RE

•E T

L

^'É

TUDE O P T I Q U E DES SURFACES

FOUCAULT ^{(Jean-Bernard}

-

^{Léon) [1819-1868]} a toujours habité Paris. Ses premières étudesfurent peu brillantes

.

Espritconcretet pratique, les vérités abstraites n^’é taient pourlui,audébutdesa vie toutau moins

,

que des subtilit ésvaines ; la préparation du bacca- lauréat lui fut,paraî t ü,assezpé nible.

il commença des études demédecine, devintainsi préparateur

,

excessivementadroitetingé nieux, d^'un coursde microscopie àla Faculté,ensuite rédacteur scientifique au Journal des Débats

,

puis, avec une thèse sur lamesurede la vitesse de la lumière

,

docteur èssciencesphysiques en 1853.

En 1862,ilétaitmembre du Bureau des Longitudes

,

eten1865, membre de llnstitut

.

Deuxansaprès, une cruelle paralysie atteignait successivement lesmains,^lesyeux,la langue, le cerveau de ce savantsi brillam

-

mentdoué,etilmourait,en1868

,

^âgé seulement dequarante

-

^neuf

ans

.

Les travaux de Foucault se rapportent à trois chapitresde la physique : l^’optique, l^'électricité, la mécanique

.

11 avait merveil- leusement le génie del invenlion, résolvaitles questions les plus diverses, avecsûreté,pardes expériences décisives qui frappaient de surprise le mondesavant,maisne cherchait la théorie mathé- matiqueque plus tard , pour répondreà ceuxqui discutaient,soit ses appaieils

,

soit l^’interprétation désesexpériences.11apprenaiten inventant,disait de lui Joseph Bertrand,et consultait la science suivantsesbesoins et dans lamesure nécessaireseulement

.

Voicila liste deses principauxtravaux

.

Il suffira de laconsulter

MÉMOIRES DELÉON FOUCAULT.

-

¹

1

LES CLASSIQUES DE LA SCIENCE

pour juger de ce que la physique et aussi génieoriginaldecegrandsavant

.

2

i l^’industrie ^{doivent au}

O P T I Q U E

Etude* des plaques photographiques.

Arcvoltaïque;^régulateur;photométrie

.

Interf érences delalumière

.

Vitesse de la lumi^ère

.

Instrumentsastronomiques;étudeoptique des^surfaces Polariseurenspath

.

P R E M I

È

R E P A R T I E

VITESSE DE LA LUMIERE

ÉLECTRICITÉ

Horlogeélectrique;régulateur électrique

.

Courants^d'induction

.

Interrupteur desbobines^d'induction

.

^Uléthocle générale pour mesurer la vitesse de la lumière dansl'^air

et les milieuxtransparents. Vitesses relatives de la lumière dans l'air et dans l'^eau. Projet d’expérience sur lavitessedepropaga- tion du calorique rayonnantl.

La nouvelle méthode expé rimentale que je

propose

pour évaluer la vitesse de la lumière se

propageant

àpetite dis

-

tance

,

est

fondéesurl’emploidumiroir

tournant

inventé par M. Wheatstone,

et

indiqué par M

.

Arago, comme pouvant servir à

attaquer

ce genre de question. Le miroir

tournant

associé àun appareil optique convenable permet en effet de

constater,

à moins d’un trentième près, la durée du double parcours de la lumière à travers une colonne d’eau de

3

mètresde longueur, et lorsqu’on se proposed’opé rerseu

-

lement dans l’air

,

une légère modification de cet appareil permetd’atteindre àun degré de

pr

écision dontil n’

est

pas encore possible de préciser la limite

.

Une troisième modifi

-

cation, ayant pour but de ménager beaucoup les

pertes

de lumière

,

servira, ainsi que j’ai pu m’en rendre compte, à constater pardesindicationslhermométriquesquelerayon

-

nement

calorique,jusqu’ici inséparable de la lumière, se pro

-

page aveclamêmevitesse.

Pour faireconnaître ces expériences, j’aurai à décrire les diverses dispositions du système optique ainsi que la nou

-

vellemachine qui me sert à animer le miroir

tournant

d^’un

1

.

^C.Ii.deVAc

.

^des5c

.

^,t.XXX,p. 551,etŒuvresdeFoucault,p

.

i73

.

M ÉC A N I Q U E

Penduleconique

.

Rotation^du plan d’oscillationdu pendule

.

Gyroscope;toupie.

Iléliosiat.

R^égulateur du mouvement ^uniforme;application à diversesma

-

chines.

Quelques

-

^{uns deces travaux ont été exé}

^cut

^és en collaboration avecFizeau

.

Le Recueil des travauxscientifiques de Léon Foucault

,

publié par

MmQveuve Foucault,samère,misen ordre par G

. -

^{M. Garicl}

^,

^précédé

d'unenotice par^J

.

^Bertrand(Gauthier-Villars

,

éditeur)

,

dans lequel nousavonsété^{autoriséà puiser}librement pour constituer ce petit volume

,

réunit lespublications deFoucault^éparsesdans lesdiverses revuesscientifiques

.

Jules LEMOINE

.

1

1

t

»

LES CLASSIQUES DE LA SCIENCE

mouvement

rapide et promptement mesurable ^: on opère

avec

la lumière solaire; on le

peut

aussi avec la lumiè

re

électrique.

Unfaisceau de lumièredirecte pénétrant par

une

ouverture

traverse

presqueaussitôtun ré

seau

présentant onze fils ver - ticaux de platine au millimètre; de là il se dirige vers une excellente lentille achromatique à long foyer^, placéeà une distance du réseau moindre que le double de la distance focaleprincipale^.L^’image du ré

seau

tend à

se

formeraudelà des dimensions plus ou moins amplifiées; mais

,

après avoir traversé lalentille,lefaisceau tombe

avant

sa conver

-

gence en foyer sur la surface du miroir

tournant

, et, entraîné d^’un mouvement angulaire double de celui du miroir

,

il forme dans l^’espace uneimage du réseau quise dé place

avec

une grande rapidité. Dans une portion assez limitéede

son

trajet,

cette

image rencontre la surfaced’un miroir concave ayant

son

centrede courbure surlecentrede figure etsur Taxe de rotation du miroir

tournant,

etpendant

tout

letemps qu’ellesepromè neàsa surface, la lumiè re qui a concouru

à

la former rebrousse chemin et vient retomber leré

seau

^lui-mêmeenune image^d'égale grandeur

.

Pour observer

cette

image sans

masquer

le faisceau d^’origine

,

on place obliquement sur le faisceau ,

aupr

ès du ré

seau

^, entre lui etla lentille objective,

une

glace parallèle, soit épaisse, soit mince^, et l’

on

observe avec un puissant oculaire les images déjetées sur lecôté

.

Quand la glace est épaisse, les deux images

sont

plus ou moins complètement séparées; quand ^{la glace} est mince, elles se

recouvrent

en partie

,

et l^’

on

^{choisit pour l’}inclinaison de la glace sur le faisceauun angletel, qu^’ily aitsuperposition deslignes noires équidis

-

tantes

dont elles

sont

sillonnées^; par

ce

moyen , l^’on utilise lesréflexions des deuxsurfaces

.

Le miroir entournant fait

repara

ître

cette

image à chaque ré volution

,

et si lavitesse du

mouvement

de rotation estuniforme, elle

reste

immobile dansl’

espace

^. Pour des vitesses qui ne dépassent pas

trente

tours par seconde,ses apparitions successives sont plus ou moins distinctes, mais

au

delà de trente tours, il ya persis

-

tancedes impressions dansl^’œil

,

etl^’imageparaî

t

absolument calme

.

il est facile de démontrer que le miroir

,

en

tournant

de

4 _L

.

FOUCAULT

. —

^{VITESSE DELA LUMIÈRE 5 •}

plus en plus rapidement

,

doitd éplacer

cette

image

comme

^si

elleétait entraî née dans le

sens

^du _mouvement

.

En effet, la lumière qui s^’échappe entre les mailles duréseau n’y revient qu’après avoir subi sur lemiroir

tournant

deux réflexions sé_nantparéespar laduréede son doubleparcours_{du miroir}

tour -

au miroir

concave .

Or, si le miroir

tourne tr

èsvite, la duréede

ce

va

-

et

-

vient, même dans une longueur restreinte de 4 mè

tres

, ne

peut

passer

pour

nulle, et le miroir a le temps dechanger sensiblement de position

,

ce quisetrahit par un déplacement de l^’image formée parle rayon réfléchi retour^.Itigoureusementparlant,

cet

effet

se

produit dès que le miroir

tourne

, même lentement; mais ilne devientobser

-

vableque quand ilacquiertunecertaine grandeur

, et

qu^’on emploie pourleconstaterdes

pr

écautionsparticulières

.

Tous aussi

appa -

1

sous

au

i

mesefforts ont tendu à rendre

cette

dé viation rente que possible.

Leprincipal obstacle àsurmonter tient àce que

,

dans un trajetaussicompliqu é,la lumièrene peut se reconstruireen

foyer bien

net

; l’étranglement que lefaisceauéprouve se réfléchissantdeuxfoissur_{le miroir}

tournant

àtrèspetite surface détruit nécessairement la

nettet

é de l’image et apporte dans

ses contours un

troubleabsolumentinévitable;

c’est pour cela qu^’on a _pris

pour source

de lumière les

espaces

linéaireséquidistants ménagés entre les fils d^’un

r

é

seau

très fin

.

Bien que l^’image qu^’on en obtient _{ne soit} jamais

nette

, elle se

pr

ésente

sous

la formed^’un systèmede

rayures

blanches etnoiressemblables_{à des}franges incolores et dont chacune pr^ésente un maximum et _{un minimum} de lumière bien déterminé

.

Ainsi queles fils

m

ê

mes

du ré

seau , ces

espaces lumineux ou obscurssont distants les uns des

un

en

sur

autresde

—

l ^{de millimètre}

^,

^{et si, pour les observer,}

on

place dans l^'oculaire un micromètre _{diviséen dixiè}

mes

de millimètre les deux systè

mes

de lignes fonctionnent, leurs d éplacements relatifs

,

_{à la mani è}re du vernier

,

et per

-

mettentde saisir,

sans

équivoque, dans l^’image un déplace

-

demillim è

tre.

D^'après la vitesse déjà connue de _{la lumiè}re,

avec un

objectifde2 mètres defoyeret

en

opé

rant sur

undouble par

-

par

f _l

ment de 100

G _L

.

^FOUCAULT

^. —

V I T E S S E D E L AL U M I ÈR E

milieux si l^’on

veut

seulement reconna^î

tre

lesensdelà diffé

-

rencedecesdeuxvitesses.

Jusqu^’àprésent^,pour communiquer à un miroir un mou

-

vement

de rotationrapide^,on a eu recoursàdesmoyensdif

-

férents. M

.

Wheatstone, en se

servant

d’un fil flexible agis-

sant sur

une poulie solidaire avec^l'axe, a obtenuune vitesse de6à800 tours par seconde

.

^{Après lui}

,

M

.

Bré

guet

^, utili

-

sant

les proprié

t

^és précieuses de l^’engrenage de White,

a

obtenu de 1.000 à

1.500 tours.

Il mesemble

que

ces deux modesde communication ^de

mouvement ont

l^’inconvé nient d^’ê

tre

trop rapidementdestructeurs

,

de nepas permettre de changer ^la vitesse d^’une manière continue, oude la main

-

tenir

constante

pendant^un

temps

suffisammentlong

.

L’appareilqui m’a serviest,je

pense,

à l’abridecesdivers reproches;il communique au miroir unevitesse qui ^varie,à volonté

,

de

trente

à huit cents

tours

,et que l^’on maintient suffisamment

constante

et mesurable au

moment

même de l’observation.

Il consisteenune petite turbineà

vapeur

assez comparable àla sirène

,

mais qui donne comparativementpeude son

.

On emploie^lavapeur fourniepar unechaudièresous une pres

-

sion d’une demi^-atmosphère ; la vapeur

est

surchauffée par unelampeàl’alcoolau moment^{où elle}va s^’engagerdans la machine

.

Elle s’échappepardeux orificespercésobliquement

sur

unmême diamètre dans la paroisupé rieure de lachambre placée

sous

le plateau de la turbine, quilui-même

est perc

é de vingt^-

quatre trous

inclin és en sensinverse,et sé

par

ésles unsdes

autres

par de minces parois.Ces parois

sont

lesaubes de laturbinequi^{, à} causedeleur

peu

de hauteur

,

n’ontpas besoind’ê

tre

courbes. Lesorifices d’écoulement delavapeur ont un diamètrecinq ousixfois plus grand quel’épaisseur des palettes, en sorte que l’é^coulementde lavapeur est

con

tinuet ne donneque peu de son

.

On conçoitsanspeine le principal avantage^d’une pareille

communication

^de

mouvement

. La force motrice engendrée dans lachaudière secommuniquesanschocà l’axede la tur

-

bine.11 n’yavait plus à craindre que l^’effet de la pression sui

-

vant

^{l'axe; pour l’annuler, j’ai fait} monter sur cet axe un plateau de

contre

-pression , qui approche extérieurement la paroi inférieure de lachambrede

vapeur, laquelle est com -

LES C L A S S I Q U E S DE LA S C I E N C E

cours de 4 mètres,

on trouve

qu’il ne faut pas donner

au

miroirunevitesse bienexagérée(6à800 tours)

pour

obtenir des d éplacements de 2 et 3 dixi èmes de millimè

tre.

Mais il

est

unmoyenbien simple de doubler l^'étenduedes d é viations, etqui peut ê

tre

utile en maintes circonstances; j’y aidéjà eu recoursplusieurs fois, et je me suis assuréqu’ilréussit.Il consiste à faire ré fl échir,commel’indiqua Bcssel,le faisceau lumineux du miroir

tournant

sur un miroir fixe auxiliaire placétout près,

et

de celui

-

^{cisur le miroir}

tournant avant et

après son excursion surlemiroirconcave

.

Onobtientainsi

,

par laconsidération de l’image virtuelledu miroir

tournant

danslemiroir auxiliaire, lemêmeeffet que M.Aragoaobtenu du

concours

dedeuxmiroirstournantsimultanémentensens inverse, avec cet

avantage

que le miroir tournant

et son

image ont toujours des positions rigoureusement symé

-

triques, mais en subissant les inconvénients ^d

’

^{une notable}

diminution d’intensité et d’une augmentation du troublede l’image.

Telleestladisposition de l^’appareiloptique quimapermis de

constater

la propagation successivedes

rayons

lumineux

.

Mes premières

exp

ériences ont réussi dans l’air avec un miroir qui ne faisait pas plus devingt-cinq à trente tours par seconde, la longueur du double parcours étant de 4mètres

.

Pour lesexé

cuter

dans l

’

eau

,

il n

’

^yaqu’^àinterposerentre le miroir

tournant

et le miroir concave une colonne dece

• liquide maintenueentredeuxglacesparallèles dans un tube métallique conique, intérieurement verniaucopal, afin que l’eau ydemeure transparente et limpide,à prendre lespré

-

cautions nécessaires pourqueles glaces terminales nesoient pasforcéesdansleurs

montures,

etpourobvierà l^’inconvé

-

nient de

rallongement

^du foyer par l’interposition d

’

une couche liquideà facesparallèles de3mè

tres

d’épaisseur

.

On arriveen finde compte assez facilement à obtenir, avec le

rayon

affaiblietverd âtrequia traversél^’eau,uneimageaussi distinctequecelle quiseformesansl’interpositiondu liquide

.

11 nyadoncplusabsolumentqu’à s’occuperdefaire tourner le miroiretdemesureravecprécisionsavitessederotation, si l^’onlient à en déduire les vitesses absoluesdans l’air et dans l’eau

, ou

bien à opérer simultanément sur cesdeux

7

f

} f

8 L E S C L A S S I Q U E S DE LA SCIENCE

prise

entre

le plateaupercéet le plateau plein

.

Sur ce der

-

nier d ébouchentdesorificesqui

exercent

unepression desens inverseà celle qui est^dueàl’écoulement^desjetsmoteurssur le plan obliquedes palettes^; mais j’ai bientô

t

reconnu que la pression verticale que je voulais ainsi combattrereste infé

-

rieurepour une demi-atmosph ère aupoids de l^’axe

tournant

et de sesappendices et ^que

cette

pression ne fait que

sou -

lager la machine

.

Mais je meré

serve

d^’employer ce plateau decontre-pression lorsque

,

poussant leschoses à l’extrême

,

j^’essayerai d’obtenirlesplus grandes vitesses de rotation

pos -

sibles.

L^’axede laturbine se prolonge infé rieurement au -dessous de lachambredevapeur, etilest interrompupar unanneau d^’acier, dans lequel

on

engage le miroir deverre, maintenu en place comme les objectifs de lunette dans leur barillet

, entre

deuxvirolesa visgarnies de rondelles de plomb ; ce miroir est taillé dans une glace parallèle et recouvertd’ un dépôtd^’

argent

sur l’unede sesfaces:il constitue une

masse

solide etcylindrique,dont le

centre

de gravitépasse au

centre

du

mouvement

^,etqui résisteefficacement auxdéformations que tend à produire le développement excessif de la forcecen

-

trifuge

.

^{Au-dessousde l’anneau}

porte

- miroir

,

l’axe reparaît, trempé

et

termin é en cône, comme à son extrémité supé

-

rieure; il est d^’ailleurs maintenu vertical entre deux vis d^’acier

non

trempées, fixées au bâti de la machine pardes contre^-é

crous

, et percées, dans toute leur longueur

,

d’un canal étroitqui setermine par uneempreinte conique, dont l’ouverture s^’accommode avec les cônes terminaux del’axe derotation.Le canal,qui

traverse

la vis d’outreen outre

,

est destiné à l’aménagement de l’huile

,

qui afflue continuelle

-

ment

sous

l’effort d^’unepression d’unecolonne de

mercure

de

30

à

40

centimètresdehauteur

.

Le constructeur

,

M

.

Fro

-

ment

,

qui m^’

a

prê

t

é leconcours de son zèleetde son talent, a employétous sessoins au

centrage

exact de l’axeetde ses annexes;c’

est

la seule partiedélicatede la machine. Plus ce centrage est

exact

, moins le martelage inévitable se fait sentir aux points d^’appui, et plus lamarche de la machine estrapide

,

constante et durable

.

Du reste

,

on procède à la rectification de cette piè

ce

importante avec la plusgrande facilité

.

V I T E S S E D E L A L U M IÈR E

11va sansdireque,pourla m i s e en expérience,le miroir estabrité par des écransconvenablement disposéscontre le jaillissementde lavapeuretde l^’huile,et contre les courants d^’air échauffé

.

On peut memelefaire tourbillonner dans une enceinte très limitée, où l^’on entretient parun écoulement constant uneatmosphèreartificielle de gazhydrogène

,

dont latrès petite masse équivaut presque au vide; c^’estencore

une

ressource quejemeréserve pourl’occasionoùjemepro

-

posed’expérimentersur de très grandes vitesses

.

Je ne me hasarderai pas encoreà donner desnombresni à

poser

la formule qui sert à les interpréter; je me bornerai seulementàconstater que lesd é viations obtenuessurun trajet de4mètres sont observables au trentième de leur grandeur

.

Jusqu

^’àprésent,la vitesse derotationdes miroirsn’aé

t

é éva

-

luée que parla hauteur du son que donneen

tournant

l’axe qui les porle, au moyen des battements qu^’il fournit avec le son d^’un diapason é talonné

.

La turbine s^’accorde du lieu même o ù l^'on observe,en réglant l’écoulement de la vapeur par lemoyend’un robinet dont la clef porte un long levier quel^'on fait man œuvrer, àdistance, avecun filqui s’enroule sur un treuil placé sous la main. J’indiquerai plus loin un moyen beaucoup plussuretplus rapide pourévalueràtout instant lavitessederotation des miroirs

.

En mebornant à desappréciationsdelàvitesseparleson

,

j^’ai d éjà constaté, pardeux observations successives

,

que la déviation de l^'imageapresle parcours dela lumière dans l^'airest moindrequ’aprè

s

son parcoursdans l^'

eau .

J’aifait aussi une autre expérience confirmative, qui consistait à observer l image formée en partie par la lumière qui atra

-

versél^’air, eten partie parla lumière qui a

travers

é l’eau

.

Pour les vitesses faibles,les rayures delimagemixteétaient sensiblementcontinues les unes aux autres, etparl^'accél é

-

rationdu mouvement derotation,Vimages^'esttransportée

,

etlesrayaresse sont rompuesà la lignedejonction deV image aérienne et de l^'imageaqueuse

,

lesrayuresdecelles-ci pre-

nant

l^'avancedanslesensde la déviationgénérale

.

D^éplus,

en

tenant compte des longueursd^'airetd^'eau traversées,les déviations se sont montrées sensiblement proportionnelles

aux

indices deré fraction

.

Cesrésultatsaccusent unevitesse dela^lumière moindredans l^'

eau

que dansl^'

air et confir -

L

.

^FOUCAULT

.

9

P

<t

>

1 0 LES CLASSIQUES DE LA SCIENCE

ment pleinement, selon les vuesdeM

.

Arago,lesindications de lathéorie desondulations

.

Il est à

remarquer

,

comme

l^’a fait observer M

.

Arago, sé

ance tenante

^, quel’expé rience, endé

montrant

unevitesse moindre dansl^'eau que dansl’air, est tout h

fait

^décisiveet qu elle prononce

sans

appel entre lesdeuxsystèmes

.

Si l’on eut

trouv

é un résultatinverse

,

la théorie de Newton restait

encore

soutenable, mais la théorie desondulations n^’étaitpas nécessairement

renvers

ée, attendu qu^’il est possiblede tituerYétherdemanière àexpliquer,quelqu’onsoitlesens, lechangement _{de vitesse}auxchangementsdemilieux

.

Pourcomplé

ter

les prévisions de M

.

Arago, il ne restait qu^’à

constater

lesensdeladispersion qui

accompagne

né

ces -

sairement

la déviation

du

rayon qui

a

traversé un milieu

r

éfringent

.

La^délicatessedes moyensd^’obser à la

m

éthode me

plé

ment

^désirable

.

Les expériences qui viennent d’être rapportées

portent

pas une grande

pr

écision, attendu qu^'on est limité par lalongueuradonnerà la colonne d^’eau quidoitê

tre

tra

-

versé

e

deux fois par le faisceau lumineux; à moins de recourir à des artilices

nouveaux

, il n^'est gu ère possiblede

donner

à cette colonneplus de

3 m

ètres de longueur,

tant

l’eaulaplustransparente absorbe la lumière en la colorant en vert.Je nesais ce que produiront, dans les mêmescircons

- tances

^,d’autres liquides, telsque l’alcool, l^'

essence

de téré

-

benthine, lesulfuredecarbone, elc.,sur lesquels jeme pro

-

posed^’opérer; mais quand les expériencessefont dans l^’air seulement

,

ilestpossible,en modifiantquelquepeu_{la dispo}

-

sition optique, defaire

intervenir

des longueursextrêmement considérables

,

etd’arriverpar suite à des

mesures

excessive

-

ment précises

.

Les dé

viations

peuvent être singulièrement agrandieset se compter

par

centim è tres

.

Danscos nouvelles circonstances, l^’exactiludedes

mesures

nedé pend plusde la grandeur du phénomène oplique qui peut être évalu ée demi

-

^millième, mais de la difficulté qu^'on rencontrerait à donnerau miroirun mouvement d’une exactitude du

m

ê

me

ordre

.

Je vaisessayer dedécrire le compl^ément à donner à l’appareiloptique pour le rendre applicableàdes distances in déliai ment croissantes

.

V I T E S S ED E L A L U M IÈR E l i

L

.

^FOUCAULT

^.

Sans changer

Ja

disposition ^dé jà connue, rien n’empêche dedoubler, de tripler^le rayon de courburedu miroircon

-

etde le placerà une distance double ou triple;seule

-

cavc

^,

ment

^, on estbientô

t arr

ê

t

é dans l^’allongement progressif de ce rayon par plusieurs^difficultés

.

Si l’on ne veut pasperdre d^'intensité, il faut donner à ce miroir

,

à

mesure

qn’on l^’éloigne, une surface plus grande et proportionnelle au carr^é de ladistance au miroir

tournant

^;

^t

^, sans compter la diffi

-

culté qu^’on éprouverait à faire construire un pareil miroir

pour

une distance de

50 m

è

tres

, il devient de plus en plus difficile aussi de l^’orienter de façon à placer son

centre

de courbure

exactement sur

^lecentrede figure du

miroir

tour

-

nant

. C’est

pour

lever du m ê me

coup

tous ces

obstacles

que je place

entre

le miroir

tournant

et le miroir

concave

^,aussi éloign és qu^’on les suppose l^’un de l^’autre

,

jusqu’à

concur

- de plusieurs centaines de m ètres, une chaî

ne

d^'un nombre pair ^d’objectifs àlongfoyer, qui se

transmettent

de deuxen deux, et alternativement, l^’image mobile du réseau etl’imagefixe du miroir

tournant .

L^’extrémité de celle cha îne se termine par le miroir

concave

^, qui

conserve

alors ses petitesdimensionset son petit

rayon

de courbure,qui reçoit la dernièreimagedu réseau^, et qui est orienté de manièreà renvoyerlalumièredont elleestforméesurlasurfacedel’ob- jectif le plus ^voisin;on

est

sûr, dès lors, que le faisceau

remonte

^lachaîne et repasse

exactement

^'parle miroir tour

-

nant

sans pouvoirêtredéjeté dansaucunedirection

.

Endéfi- nitive,cette série d’objectifsque la théorie

permet

d’allonger indéfiniment^, que la pratique limitera sans ^doute, a pour effet desaisirle faisceau d ès qu’il tombe surla lentille laplus voisine du miroir

tournant

, de s^’opposer à sa divergence et de changer son

mouvement

angulaire ^{dans l’}espace en un

mouvement

de serpenlement quileretient dans la ligned’ex

-

p

ériencependant untemps nécessaire àl’excitationde lasen

-

sibilité dela réline.

Aupremier abord^,uneobjectionseprésente, àlaquelleje hâtede

r

épondre

.

Lefaisceau ^{delumi è}re,au moment où il s

engage

danscettesériede lentilles

,

tombesur le bord de lapremièred’entre elles,et illes rencontrededeux

en

deux sur les bords alternativement oppos^és, puis

,

un moment

apr

ès

,

il

tombe

^au

centre

de la

premi

ère lentille

, et chemine

;

cons-

’

\ »lioninh érents

laisse l’espoir d’arriver à fournir ce com

-

_rcnce

ne com

-

au

m e

42 VITESSE DELALUMIÈRE

s’

attachera

^maintenir

cette

concordance pendant pins de quel

-

ques

secondes^,

car

ilsuffit de saisirlemomentde l^’apparente

immobilit

^{é de la} rouepour faireaussitôt l^’observation de la déviation del^’image

.

Cesdeux observations,dont l^’une con

- cerne

ceau

sert

seulement d^’avertissement

pour proc

éder immédiatement à laseconde

.

En réalit^é

,

l^’appareilàrouedentée estun

comp

- teur surajoutéàlaturbine qui,

m

écaniquement

,

n^’influence

aucunement

sa marche et qui

n

^’est qu^’

en

simple relation optique avecelle

.

Je

terminerai en montrant que

la

m

ême méthode

fournit

lesmoyensde

mesurer

approximativementla vitessede

pro -

pagationdu

rayonnement

calorifique

.

Les

travaux

desphy

-

siciens modernes

,

et particuliè

rement

deM

.

Melloni,ne

per -

mettent

plus de

conserver

de doute surl^’identité des rayon

-

nements

lumineuxetcalorifiques; ce sontdeux efletsd^’une m êmecause;toute modificationqu^’onimprimeà l^’un doit

se

retrouverdans l^'

autre .

Si lalumière

est

déviéedansl^’expé

-

riencequi vientd^’êtred écrite,le lieudel^’influence calorifique doitse déplaceravecelle^, il me semble

que

la constatation de ce

fait

mérite d’ê

tre tent

ée

.

Onyarriveraparle thermomè

tre m

ême

,

en

m

é

nageant

convenablementl^’intensitédu faisceau lumineux.

Lorsque le miroir

tournant

estaurepos et qu^’ilseprésente

sous

l^'incidence voulue

,

toutl^’appareiloptiqueestincessam-

ment travers

é par le

rayonnement

lumineux, et l’ image du réseau

poss

ède une intensité plus que suffisante

pour

impres

-

sionner un de

ces

petits thermomètres

que

nous employésavec M

.

Fizeaupourlarecherchedes interfé

rences

calorifiques

.

Quandle miroir,agissant parses deuxfaces

, se met

à tourner

,

cetteimageconserveraitla m ê me intensitési, dans

son

mouvement de translation , l^’image mobile ne ces- sait de tomber sur unesurface miroitanteet sphériqueayant centre surle centredu

mouvement.

Or, ilest permisde

se

rapprocherde ces conditions en multipliant les miroirs sphériqueset en lesalignantsurletrajet del’image mobile; petit thermomètre, placé

tout

auprès de la source de lumiè

re

du cô

t

é

vers

lequel l^’imagefixe doitse dévier,

sera en

effetimpressionné dès

que cette

déviation

sera

suffisam

-

LES CLASSIQUES DE LA SCIENCE 13

directement

dans

tout

le système; il seraità craindre que

,

dans

ces

deux positions, le faisceau n’eût à parcourir des routes notablementdifférentes

,

ce quiseraitfâcheux dans

une exp

érience qui aurait pour but d’arriver àune haute

pr

éci

-

siontrès longs qu;maisjeferai’on emploieremarquer dpour^’abordréduirequ’en raison des foyersle plus possible le nombre desverres

,

cetteobliquité

est

très faible; en outre

,

on dé

montre

qu’

en

deux foyers conjugués des lentilles, les rayonsqui passentparle centre

et

par les bords parcourent des chemins_l’ sinonégaux, du moinséquivalents, ensorteque objection devient nulle, et que la disposilion demeure irré

-

prochable

.

Reste enfin à discuter la question relative à la régularité de la marche dumiroir et aux moyensde

mesurer

savitesse de rotation.

Remarquons _d’abord que _l’image

ray

é

e

qui semble per

-

manente au foyerdel^’oculaire a

une

certaine étendue

,

2mil

-

limètres

carr

és;que cette image

est

, en réalité,

intermittente

, et que

ses

apparitions réitéré

es _{sont en}

_{même nombre que}

les

tours

des miroirs

.

Profitantdes apparitions périodiques de lroue^'imagede 5,_{centim è}je

masque

tresla partie_{de diam è}

sup tre

érieureet fendue

par

delebord d

400

dents

.

Supposant que cette rouetrique, fasseuneteurseconde;mais si, de

exactement

il passera

son

cô t

800

é,2

, tours

l’dents

axe

_{mue par un}depar

sous

la turbine_seconde,le regard de_appareilildonneest_chronomclairl800 tours^’observa-qu^’_é

-

parseconde,ily

aura

800 apparitions de l’imageduréseau; et,_l

comme

les apparitions sont très

courtes

relativement à

/

^{800e deseconde}

,

lesdents successivesde la roue sesubsti

- tueront exactement

les unes aux

autres

dans l’intervalle de deuxapparitions, et la roue

para

îtra immobile

.

Puis

,

pour peu qu^’il

y

ait dediscordance

,

soit en plus, soit en moins,

entre

les retours successifs

de

l^’image et les

passages

des dents,

autrement

dit,

pour

_{peu quelaturbineexécuteplusou} moins de400 tours

pour

un

tour

_{de la}

roue

dentée, celle-ci s_m^’

armera

_ême

sens

d^’un_{que son}mouvement apparent de

mouvement

réel;d è

sens

slorscontraire ou

on saura

dansde quel

sens

_{il fautagir}

sur

l’

é

coulement de vapeur pourétablir

une

concordance complète,

accus

ée par une apparente immo- bilité dubord denté de laroue

.

Ilestparfaitementinutile de

L

.

^FOUCAULT

^.

la vitesse de la turbineetl^’autre ladéviation du fais

-

réfléchi,

sont

,

pour

ainsi dire

,

simultan ées;la première

1

une

en

avons

son un

t

^,

—

^{VITESSEDELA LUMI ÈRE 15}

L

.

FOUCAULT

.

le moindre ^doutesur

lumièredans^l’

espace

videou dans noireatmosphère. Quant aux vitesses que prend ^{la lumiè}re en pé

n

étrant dans les milieux réfringents^,elle n’était donn éeque

par

lecalcul,qui, interpré

tant

^la réfraction dans le

syst

ème de l’émission ou dans le systè medes ondulations^, donnait^, selon l^’hypothèse adoptée,des résultats bien diffé

rents.

^M.Arago

,

dès l’anné

e 1838

^,fille

premiersentir

^{l’importance d’une exp}

é

^riencequi, sans même

conduire

à la

mesure exacte

des vitesses de la lumiè

re

dans des milieuxinégalement

r

éfringents

,

mettrait seulement leur diffé rence en évidence

,

et fixerait^,

par

suite

,

les physiciens

sur

la manièred’interpréter la réfraction

.

La m éthode exp^érimentaleque je vaisd écrire dans ce Mémoire

,

offrant la possibilité ^de

mesurer

la vitesse de la lumière dans un trajet très court, permet d’opérer sur diffé

rents

milieux^, etdonnelasolution compl ètedel’importanteques

-

tion

pos

ée,il ya quinzeans,par M

.

Arago

.

Mais,

avant

d^’

entrer

en matiè

re

, il convient de jeter rapi

-

dement^uncoupd^’œilsurl’ensembledesphénomènesnaturels

artificiellement

produits,quisont susceptibles de

mettre

en évidence ^la propagationsuccessive des

rayons

lumineux

.

En astronomie

,

les phé

nom

ènes se

sont

produits d’eux

-

m

ê

mes

^{; ils se}

sont

d’abord

montr

^és

comme

des anomalies^; on nelescherchait pas

,

onnes’attendaitpasàles

rencontrer

, on n’a eu qu’à lesobserver

et

àles.rapporterà leur vé ritable

cause

pour en déduire

,

par le calcul, le chiffre exprimant l’é

tonnante

vitessede lalumi^è

re .

Ce résultat portele

caract

ère distinctifdesœ

uvres

de l’astronomie; il

est

empreint d^’une haute

pr

écision , etl^'on peut encoredouterquelesexpériences faites àlasurfacede la terre puissentprétendre un jourau même degré d’exactitude^; jusqu^'à pré

sent

, du moins, n^’a cherché qu’à contrôler approximativement ^{parla phy}

-

sique les nombres fournis parles observatoires

,

etl’on lime ^{heureux d’}avoir obtenu des valeursqui oscillent

assez

largementautourdu chiffre véritable

.

Le phénomène sensible qui dut révéler pourla première fois^lavitesse de la lumièresepasse dansles limites de notre

syst

ème plané taire^;il aétéob.

-

^{ervé et expliqué parlloë}

^mer

^,

dansle courantdes ann^ées

1673

^{et 1676;}il consiste,

comme

sait,dans l’inégalité

apparente

des

retours

successifs des

14 _LES CLASSIQUES DE LÀ SCIENCE

ment agrandie

par

la vitesse de rotation

.

Je n^’en dis

pas davantage

sur

une

expériencequi est

encore

à faire

.

Ce mé moire necontient, en réalité

,

qu’un seul résultat : c’est laréussite, par des moyens

nouveaux

, de l’expérience d

icisive

imaginéedepuis plusieursannées

par

M

.

Aragopour prononcerd é

finitivement

entreles deux théories rivalesdela lumière; maisce mém o i r ea

encore

pour but deprendredate pour unesé rie d’applicationsde lanouvelle

m

éthode

,

laquelle consiste essentiellement dansVobservation _{de l}^'image fixe d^'

une

image mobile

.

Les circonstances qui m’ont obligé à rédiger_précipitam

-

mentce mé moire ne m^’ont pas permis de traiter la partie historiquedela question. En publiantla suite de mon

tra -

vail

,

je ne manquerai pas de rappeler les magnifiques recherches de

ceux

qui m’ontprécédé

,

de

M.

Wheatstone

,

de M

.

Arago

et

de M

.

Fizeau

.

Si les physiciensaccueillent

favorablement

le fruit de premiersefforts, que tout l^'

honneur

en revienne à M

.

_Arago qui, dans une penséed^’une hardiesse admirable,

a

montréque les questions relatives à la vitesse de la lumière devaient passerdudomainede l^’astronomie danscelui de laphoque

,

et qui, par une g^éné

reuse

abnégation, a permis aux jeunes

savants

de

se

lancer

avec

ardeur dansla voie qu’il leur

a trac

ée

.

la véritable ^{valeur de la} vitesse delà

mes

ou

Sur les vitessesrelativesde lalumièredans l'^airetdans l'eaub

PRÉLIMINAIRESHISTORIQUES

A l

’

époque où j’entrepris

ce

travail, la science possédait déjàtroismé

thodes

diffé

rentes

pourdéterminer la vitessede lalumiè re.L’astronomie a fournilesdeuxpremières^,fondé

es

surl’observation des é_clipsesdessatellitesde Jupiter

,

et

sur

ie phénomènede l^’aberration des étoiles

. La

troisiè

me a

été imaginée plus ré

cemment

par M. Fizeau

,

et rentre dans le domaine de la physique expérimentale^. Sans atteindre

au

mê medegrédeprécision,

ces

diverses mé

thodes

se contrôlent les

unes

lesautres

,

de telle

sorte

qu’ilne peut plussubsister

1

.

Th<>sededoctoratèsscienrrsphysiques, 23 avril1853.(Ann

.

^deCh

.

et dePhys

.

3],l.XL1,p.129etŒuvresde Euucault.p.185.)

ï

on s^’es-

on