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    Oui, Messieurs, la lumière voyage avec une vitesse déterminée !  
    Jean-Marie Vigoureux - Ciel & Espace n.375 - 2001-08-01      
    Lors d'une mémorable séance à l'Académie des sciences, le 21 novembre 1676,
le jeune astronome danois Olaüs Roemer démontre que la lumière n'est pas instantanée et
il évalue pour la première fois sa vitesse.
Un scepticisme général accueille sa démonstration.
L'histoire, bien sûr, lui donnera raison. Récit.
 
    Il est tout juste 17 h, en ce lundi 9 novembre 1676. La nuit vient de tomber sur Paris. L'Observatoire royal est en effervescence et les discussions vont bon train. Tous les astronomes, pour la plupart académiciens, se pressent autour de la lunette pour savoir. Pour enfin savoir. Parmi eux, Olaüs Roemer, ce jeune Danois de 32 ans, arrivé en France il y a tout juste quatre ans et qui, au début du mois de septembre, a annoncé mystérieusement aux membres de l'Académie des sciences que l'émersion (Zoom) du premier satellite de Jupiter (à l'époque, on ne l'appelait pas encore Io), que l'on attendait pour le lundi 9 novembre se produirait avec 10 minutes de retard sur l'heure donnée par le calcul. Dix minutes ! Cela signifie, s'il a raison, que le satellite, caché dans l'ombre de sa planète mère, n'en ressortira qu'à 17 h 35 min. 45 s, au lieu de 17 h 25 min. 45 s…  
    Pressé d'expliquer cette étonnante prédiction, Roemer n'a jusqu'ici rien voulu dire. "Nous verrons bien", s'est-il contenté de répondre avec un léger sourire. Et aujourd'hui, nous sommes enfin le 9 novembre et il est très précisément 17 h. Les minutes passent, un astronome est installé à la lunette. Il observe Jupiter en silence. Il attend lui aussi le moment où va réapparaître le satellite. De temps en temps, mais sans jamais quitter l'oculaire, il murmure "Toujours rien" et fait un grand geste de la main. Avec les minutes qui s'égrainent, le silence se fait plus profond. Le groupe s'approche instinctivement de la lunette, comme s'il espérait voir lui aussi, puis s'en éloigne raisonnablement pour ne pas gêner l'observation.  
    17 h 24 : si les tables sont exactes, on devrait voir surgir le satellite dans un peu plus d'une minute. Puis dans quelques secondes. Mais le moment calculé passe et Io ne réapparaît pas. Au fond de la pièce, Roemer est complètement silencieux. 17 h 35 : brusquement, le satellite émerge dans la lumière du Soleil. À l'heure prédite. Exactement. Dans la salle, le silence est rompu brutalement. C'est extraordinaire ! Certains applaudissent. Roemer, lui, sourit simplement. On le presse alors d'en dire davantage et d'expliquer ce retard imprévu mais pas une parole ne sort de sa bouche. Non, il ne parlera pas avant la prochaine séance officielle de l'Académie, le 21 novembre. On voudrait, bien sûr, le faire céder mais il tient bon. Il faudra donc attendre douze jours… Encore !  
    Samedi 21 novembre 1676. Dans la grande salle de la toute jeune Académie des sciences (elle a fêté cette année son dixième anniversaire), les académiciens sont tous là pour obtenir enfin des explications. Ils savent déjà, bien sûr, que l'éclipse d'avant-hier s'est produite avec 10 minutes de retard sur les calculs, confirmant ainsi l'étonnante prédiction du jeune astronome. Toute la semaine, les imaginations sont allées bon train pour essayer de résoudre l'énigme. Les lois de Kepler ne seraient-elles pas partout valables ? Les tourbillons autour des planètes ne seraient-ils pas tous identiques ? Après avoir été présenté, comme le protocole l'exige, Olaüs Roemer sort ses papiers et prend enfin la parole. Comme chaque fois, son fort accent danois soulève de légers sourires mais le silence se fait : chacun va connaître enfin la clé du mystère.  
    D'une voix calme, Roemer lit maintenant son texte : si l'éclipse du premier satellite de Jupiter a eu lieu avec du retard, c'est parce que la lumière qui nous en vient ne se transmet pas instantanément jusqu'à nous. Les tables actuelles donnent l'heure des éclipses sans tenir compte de ce temps qui lui est nécessaire pour venir jusqu'à nous et c'est la raison pour laquelle elles sont erronées. Il précise alors les observations qui l'ont poussé à cette conclusion. Il a remarqué que lorsque la Terre s'éloigne de Jupiter, le temps mesuré entre deux éclipses successives est toujours plus long que lorsque la Terre s'en approche. Certes, ces différences ne sont pas mesurables sur les 42 heures 32 minutes d'une seule éclipse et c'est pour cela que personne ne les a remarquées, mais elles deviennent évidentes si l'on mesure le temps total de plusieurs éclipses. Pour s'en convaincre, il lui a fallu aller jusqu'à compter pas moins de quarante éclipses. Cette constatation l'a bien sûr étonné mais il a naturellement pensé que la meilleure explication de ces avances et de ces retards était que nous ne voyons pas ces éclipses au moment où elles se produisent parce qu'il faut un certain temps au rayon lumineux pour franchir la distance nous séparant de Jupiter. Si la Terre s'éloigne de la planète, la lumière doit franchir une distance légèrement plus longue pour nous rattraper et nous sommes donc avertis de l'éclipse avec un certain retard. Si la Terre vient au contraire à sa rencontre, la lumière a moins de trajet à faire pour nous atteindre et nous en sommes avertis avec de l'avance. Certains murmures s'élèvent déjà. Roemer, toujours très calme, poursuit : de façon précise, les valeurs maximales de ces retards sont de 22 minutes. C'est donc le temps que met la lumière à parcourir la distance qui sépare le lieu où la Terre est la plus proche de Jupiter de celui où elle en est le plus éloignée. Une distance égale au diamètre de l'orbite terrestre, soit 47'416 rayons terrestres. La lumière franchit donc en une seconde 35,921 rayons terrestres. Si l'on admet que ce dernier équivaut à 3'275'790 toises de Paris, elle parcourt donc 117'670'347 toises de Paris (228'000 km). Il conclut alors : "La nécessité de cette nouvelle équation du retardement de la lumière est établie par toutes les observations faites à l'Académie royale et à l'Observatoire depuis huit ans."  
    Dans la grande salle de l'Académie, les plus discrets hachent maintenant la tête mais l'atmosphère est au doute, voire à la défiance : "La lumière ne serait pas instantanée mais successive !" Que veut nous apprendre ce jeune homme tout juste arrivé en France ? Une telle idée, certes, avait jadis été émise par l'école islamique d'Avicenne et d'Alhazon, qui croyait que la lumière était un mouvement de particules et qu'elle ne pouvait donc, comme toute particule, que se déplacer à une vitesse finie. Mais c'était il y a de cela presque 700 ans et l'on a fait bien des progrès depuis.  
    Et pourquoi ne pas remonter jusqu'à Empédocle d'Acragas, le poète philosophe ? ironise l'un.
- "À qui Aristote reprochait de dire que la lumière 'voyageait'!" renchérit l'autre.
- "N'est-ce pas pourtant ce qu'a écrit Robert Hooke il y a une dizaine d'années dans ses Micrographia, lorsqu'il décrit la lumière comme un mouvement 'excessivement rapide', pouvant se propager 'sur les plus grandes distances imaginables en un temps si court qu'il en est à peine concevable' ?
- Mais Hooke est un Anglais !"
 
    Non, décidément, ce problème de la lumière est définitivement tranché par tous les grands noms de la physique : Galilée, qui a même eu le mérite de réaliser une expérience à Florence, même si celle-ci lui a laissé, dit-on, quelques doutes… et surtout Descartes. Descartes, que l'on vénère depuis sa mort ! Olaüs Roemer sent tout à coup l'ombre gigantesque du grand penseur planer sur l'Académie, rappelant à l'ordre les esprits tentés de s'égarer dans la nouveauté. Descartes ! C'est lui qui va faire obstacle. Roemer le sait bien. Il l'a d'ailleurs prévu avec autant de certitude que le retard de l'éclipse. Cela l'a frappé dès son arrivée en France : tous les Français sont cartésiens et ne s'écarteront pas plus de leur maître que les philosophes d'antan n'osaient s'éloigner d'Aristote.  
    Le débat va maintenant bon train. Les voix s'élèvent et l'on sent que le doute emplit peu à peu les esprits. Les questions fusent : 'Avant d annoncer un tel résultat, ne serait-il pas nécessaire, et prudent, de vérifier le comportement des autres satellites ? Peut-être ce retard est-il dû, tout simplement, à une trajectoire anormale du satellite autour de sa planète mère. " Celui qui vient de prendre la parole, c'est Giovanni Domenico Cassini, venu d'Italie pour prendre la direction de l'Observatoire. Il a, lui aussi, observé les avances et les retards du satellite et il raconte à qui veut l'entendre que pour les expliquer, il a lui même examine la possibilité d'un mouvement progressif de la lumière… mais qu'il y a très logiquement renoncé en constatant que les autres satellites ne manifestent pas les mêmes écarts.  
    La question est donc posée à Roemer… et c'est d'ailleurs une question de bon sens : 'Avez-vous vérifié que ces mêmes retards se produisent également pour les trois autres satellites ?" Non bien sûr, il ne l'a pas vérifié. D'ailleurs comment aurait-il pu le faire puisqu'on ne les a pas observés pendant toutes ces années avec autant d'assiduité que le premier satellite et que l'on ne possède que très peu d'archives à leur sujet. L'Académie le sait bien qui, dès sa fondation, s'est donné pour tâche de réaliser des cartes géographiques plus fiables que celles disponibles et qui étudie justement le mouvement de ce premier satellite pour s'en servir d'horloge observable en tous lieux et permettant ainsi de mesurer des longitudes.  
    Le directeur de l'Observatoire affirme alors : "Ce retard est certainement dû a l excentricité de la trajectoire", et d'autres lui emboîtent le pas. "Ou à l'irrégularité de son mouvement_ Ou à quelque autre cause jusqu'ici inconnue et que l'on pourra identifier avec le temps !" Roemer ne s'étonne pas de la véhémence de Cassini car il commence à connaître la fougue de l'Italien. Il sait qu'il ne pourra pas convaincre aujourd'hui et son regard fatigué parcourt rapidement l'assemblée. Dans un coin, il aperçoit heureusement l'abbé Picard qui lui sourit. C'est lui qui l'a invité à venir en France, lui qui aime raconter à qui veut l'entendre qu'il a ramené deux trésors du Danemark : les observations manuscrites de Tycho Brahé et ce jeune astronome qui justement les étudiait. Peut-être est-il le seul, mais l'abbé Picard, ce soir encore, est fier de son assistant qui connaît aussi bien les mathématiques qu'il est habile technicien, qui sait traiter tout à la fois des retards d'éclipses et des problèmes d'adduction d'eau à Marly et à Versailles.  
    Comme personne n'a rien à ajouter, le secrétaire lève finalement la séance dans le brouhaha général. Les discussions seront reprises samedi prochain, le 28 novembre. Le soir venu, Bernard Le Bovier de Fontenelle écrira dans son Recueil des mémoires de l'Académie royale des sciences à propos de cette journée mémorable : "Malgré ce succès, comme la pensée était fort nouvelle, on ne s'y rendit pas encore; on fut en garde contre les charmes de la nouveauté."  
    Olaüs Roemer rentre à l'Observatoire royal, où il habite depuis son arrivée en France. Il est maintenant épuisé et les images du passé se mélangent dans sa tête avec celles de la journée. Il se revoit rédigeant fiévreusement la communication qu'il vient de lire et qui paraîtra bientôt dans le Journal des Sçavans. Il se revoit, il y a cinq ans, marchant avec l'abbé Picard à Uraniborg, où son maître Bartholin l'avait chargé de mettre en ordre les manuscrits de Tycho Brahé. Il pense à sa nomination de tuteur du dauphin lors de son arrivée en France et à toutes ses nuits blanches passées à calculer des éclipses, à chercher des écarts significatifs dans d'épais cahiers de mesures, inévitablement entachées d'erreurs. Pour déterminer la vitesse de la lumière, il lui a fallu calculer pour chaque éclipse la distance séparant la Terre de Jupiter avec toutes les difficultés liées au fait que les deux planètes se déplacent indépendamment l'une de l'autre. Ce soir, tous ces calculs tournent dans sa tête, avec, toujours, le visage impassible de Cassini qui le regarde. Devant l'incompréhension de la plupart des académiciens, Roemer écrira bientôt à Huygens, et malgré la lecture publique de la longue lettre de soutien de celui que l'on considère comme le plus grand astronome de l'époque, il ne réussira pas à faire l'unanimité. Autour de Cassini et de son neveu, Jacques- Philippe Maraldi, l'Académie reconnaîtra que son idée d'un "mouvement progressif de la lumière" donne une bonne explication des phénomènes observés, mais soutiendra qu'elle n'en est pas moins fausse. Et un autre soir viendra où Fontenelle poursuivant son récit devra conclure avec quelque déception : "Il paraît donc qu'il faut renoncer, quoique peut-être avec regret, à l'ingénieuse et séduisante hypothèse de la propagation successive de la lumière… A quoi tient-il que nous ne tombions pas dans de grandes erreurs !"  
    Plusieurs années ont passé. Roemer est rentré au Danemark, où il enseigne les mathématiques à l'université de Copenhague. Il a quitté la France en 1681, soit cinq ans seulement après ces journées inoubliables… et quatre ans avant la révocation de l'édit de Nantes, qui l'aurait de toute façon fait chasser comme "protestant indésirable". Depuis son retour, ses découvertes sont nombreuses. Les plus importantes sont peut-être la lunette méridienne, alors appelée "instrument des passages", le "thermomètre à deux points fixes", construit sur la fusion de la glace et l'ébullition de l'eau que nous utilisons encore aujourd'hui, et le calcul des engrenages, montrant que c'est en donnant aux dents des machines des formes d'arc d'épicycloïdes (Zoom) que l'on-obtient les moindres frottements. Quant à cette découverte de la vitesse de la lumière, elle finira bien sûr par s'imposer. Isaac Newton en parlera dans son Optics et bien vite Edmund Halley en perfectionnera la mesure. I1 établira ainsi que le temps nécessaire à la lumière pour parcourir le diamètre de l'orbite terrestre est de 16 min. 26 s, et il montrera en conséquence que cette vitesse est de 77'000 lieues par seconde (308'000 km/s). Malgré ces nouveaux résultats, ce n'est pourtant qu'en janvier 1729, soit dix-neuf ans après la mort de Roemer et plus d'un demi-siècle après la fameuse soirée d'observation du 9 novembre, que Bradley, qui découvre le phénomène de l'aberration de la lumière des étoiles, fera définitivement admettre ce résultat : la lumière ne se propage pas instantanément.  
Définitions   L'émersion est la réapparition d'un astre éclipsé.
La cycloïde est la courbe parcourue par le point d'un disque (par exemple, la trajectoire d'une valve de chambre à air de bicyclette) roulant sur une droite; l'épicycloïde est la courbe parcourue par ce même point lorsque le disque roule non plus sur une droite, mais sur un cercle.
 
       
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