1. TDN >
2. Science

En 1887, deux physiciens ont cherché le vent de l’éther : ce qu’ils n’ont pas trouvé a ouvert la voie à Einstein

Et si la physique avait fait un bond grâce à une mesure qui ne donne rien ? En 1887, à Cleveland, deux Américains traquent un vent invisible censé accompagner la Terre dans sa course à 30 km/s. Résultat : zéro, ou presque, et ce vide va faire tomber une certitude vieille de plusieurs générations.

Un vent invisible que toute la physique croyait réel

La Terre tourne autour du Soleil à environ 30 km/s, soit 107 000 km/h. Au XIXe siècle, les physiciens en tirent une conclusion logique : la lumière est une onde, et une onde a besoin d’un support. Ils l’appellent l’éther luminifère.

Selon ce raisonnement, le vide lui-même doit en être rempli. Si la Terre traverse ce milieu, elle doit subir un « vent d’éther », comme un cycliste sent l’air sur son visage même par temps calme.

Le problème, c’est la taille de l’effet. La vitesse de la Terre représente environ un centième de pourcent de celle de la lumière. La roue de Fizeau, elle, mesurait la lumière avec une précision de l’ordre de 5 %, donc très loin du compte.

En 1878, James Clerk Maxwell pose le cadre : seuls des dispositifs capables de saisir des effets du second ordre ont une chance de détecter ce vent. Il faut un instrument d’une finesse inédite. Et un homme pense l’avoir imaginé.

Michelson a déjà mené ses premières expériences sur la lumière en 1877, en cours, à l’Académie navale d’Annapolis. En 1881, avec un prototype, il attend un décalage de 0,04 frange. Il en mesure au plus 0,018, et conclut trop vite que l’éther est entraîné par la Terre.

Alfred Potier, puis Hendrik Lorentz, lui signalent alors une erreur de calcul : l’effet attendu n’était que de 0,02 frange. Les erreurs de mesure de l’appareil étaient bien trop grandes pour trancher. Les calculs ratés sont une vieille tradition, comme le montre la vraie histoire des épinards de Popeye.

Michelson sait pourtant que sa méthode tient la route. Il lui manque un deuxième cerveau, et surtout un instrument bien plus costaud.

Un bloc de pierre flottant sur du mercure

En 1885, Michelson s’associe à Edward Morley, professeur de chimie à Cleveland. Les deux hommes dépensent beaucoup de temps et d’argent. Michelson traverse même une crise de santé mentale en septembre 1885, dont il se remet en octobre. Morley l’attribue à l’intensité du travail de préparation.

En 1886, ils confirment le coefficient d’entraînement de Fresnel, un résultat qui semble alors soutenir l’idée d’un éther quasi immobile. Leur espoir de trouver le vent grandit. Le plus dur reste à faire.

L’expérience se déroule par périodes de mesures concentrées, entre avril et juillet 1887, dans le sous-sol d’un dortoir de l’université Western Reserve. La lumière est renvoyée plusieurs fois le long des bras de l’interféromètre, ce qui porte son trajet à 11 m. À cette longueur, la dérive attendue atteint environ 0,4 frange.

Pour tuer les vibrations, l’appareil repose sur un bloc de grès d’environ 1,5 m de côté, posé sur un bain circulaire de mercure. Une seule poussée suffit pour le faire tourner lentement, sans frottement. L’observateur regarde dans l’oculaire pendant que tous les angles défilent.

Même ainsi, le travail est un cauchemar. Les franges pouvaient disparaître au passage d’un cheval ou lors d’un orage lointain, et l’observateur risquait de se perdre en les retrouvant. Les chercheurs estimaient pouvoir détecter un effet d’environ 0,01 frange.

Alors, qu’ont-ils vu ? Pas de vent. Le déplacement mesuré valait au plus un quarantième de celui attendu.

Dans leur article, ils concluent que la vitesse relative est probablement inférieure au sixième de celle de la Terre, et certainement inférieure au quart. En août 1887, Michelson écrit à Lord Rayleigh que le résultat est « décidément négatif » : déplacement maximal de 0,02, moyenne bien inférieure à 0,01.

Michelson et Morley n’ont pas trouvé ce qu’ils cherchaient. Ce que ce « rien » allait déclencher, personne ne le mesurait encore.

Le ratage le plus célèbre de la physique

Voilà le twist : cette expérience est restée dans l’histoire comme l’expérience « ratée » la plus célèbre. Après elle, Michelson et Morley ont cessé de mesurer la dérive de l’éther. Ils ont mis leur technique au service d’un autre objectif : faire de la longueur d’onde de la lumière un étalon de longueur.

Pourtant, ce zéro disait quelque chose de capital : la lumière file à la même vitesse dans toutes les directions, quel que soit le mouvement de la Terre. Ernst Mach fut le premier à proposer de rejeter purement et simplement l’éther. Fitzgerald et Lorentz, eux, imaginent une contraction des longueurs pour sauver le résultat.

C’est finalement la relativité restreinte d’Einstein, qui pose que la vitesse de la lumière est invariante, qui explique l’étonnant résultat. Einstein l’a reconnu : sans l’embarras dans lequel l’expérience de Michelson et Morley avait plongé les physiciens, personne n’aurait vu dans la relativité une (demi-)rédemption. Le raté a donc bien ouvert la voie.

Michelson, lui, recevra le prix Nobel de physique en 1907. La même mesure nulle a été refaite en 1902-1905, dans les années 1920, puis en 2009, avec des résonateurs optiques qui excluent tout vent d’éther au niveau de 10^-17. Une réponse identique, à chaque progrès de précision. Les vérités se cachent parfois là où on ne les cherche pas, comme ce gène de Néandertal qui réécrit notre histoire.

Des expériences de ce type font aujourd’hui partie des tests fondamentaux de la relativité restreinte, au côté de celles d’Ives-Stilwell et de Kennedy-Thorndike. Les solutions les plus simples sont souvent les plus déroutantes, comme la courbure des bananes. Et certaines traditions prennent racine dans de vieilles croyances, comme le regard échangé en trinquant.

Quel autre « échec » dort dans les archives de la science ? En attendant, un autre projet démesuré a lui aussi été stoppé, et pas pour la raison que l’on croit : ce vaisseau propulsé par des bombes atomiques imaginé par les États-Unis.