Io et la vitesse de la lumière

2020/04/29 Galder Gonzalez Larrañaga Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Historia
• Astronomia
• Fisika
• Sariak

Celatonea à l'esprit et voyage à travers le monde

Depuis que Arnold Nawrocki a introduit en 1956 les fromages transformés en plastiques individuels [1], il est plus facile de mesurer la vitesse de la lumière à la maison avec un micro-ondes et une règle [2]. À l'époque de Galilée, cependant, la vitesse de la lumière était un concept inconnu.

septembre 1617. Galileo Galilei, l'un des astronomes les plus célèbres de l'histoire, est attaché sur une chaise à l'intérieur d'un petit bateau situé dans une piscine située au sommet d'un bateau situé dans le port de Livourne. Sur la tête, il porte un curieux appareil inventé par lui, le celatone [3].

La celatonea est l'un de ces appareils extraits d'une bande dessinée steampunk-, un casque avec des lunettes et un télescope dans l'un des yeux. Dans les versions ultérieures, il y a une bougie au-dessus pour pouvoir lire ou écrire la nuit. Sa fonction est également très concrète : une fois Jupiter localisé avec l'œil sans télescope, nous pouvons voir la planète de l'œil avec un télescope, ce qui permet d'observer avec une grande précision quand l'éclipse d'un des satellites de Jupiter se produit. Puisque le mouvement de l'observateur et, en particulier, celui du bateau vont causer des problèmes pour voir Jupiter, l'observateur doit être placé sur une chaise flottante [4,5].

Sept ans plus tôt, le 7 Janvier 1610, Galileo a vu Jupiter pour la première fois de Pise, avec un télescope de son travail. À côté de Jupiter, il a trouvé trois étoiles (la quatrième nuit) sur une curieuse ligne droite. La nuit suivante, il a regardé de nouveau Jupiter et a découvert que ces trois étoiles se sont déplacées, mais contre la direction que l'on pourrait penser du mouvement de la Terre. Cette même nuit, loin de Pise, Simon Marius a également observé Jupiter et a commenté l'emplacement des quatre points qui étaient à côté de lui. Dans les prochains jours, deux scientifiques, chacun de leur côté [6], ont décrit le mouvement de ces étoiles et ont compris qu'elles étaient les satellites de Jupiter. Cela avait des conséquences importantes: si Jupiter avait un système complet tournant autour de lui, la théorie héliocentrique de Copernic pouvait être considérée comme prouvée [7]. Nous attribuons la découverte des satellites à Galilée, qui fut le premier à le publier, mais la vérité est que nous utilisons les noms proposés par Marius: Io, Europe, Ganymède et Calisto [8].

À partir de 1612, avec un système de treillis conçu par Galilée lui-même, il a commencé à mesurer avec précision la position des satellites. Il découvrit bientôt que la vitesse des satellites était proportionnelle à la distance de Jupiter et que, par l'élaboration de tableaux, il était possible de connaître la position exacte de ces satellites. En particulier, parce qu'il était possible de prédire les éclipses de chaque satellite et ainsi mesurer le temps. Les satellites de Jupiter, et particulièrement Io, comme nous le verrons plus tard, étaient des montres astronomiques ; et si nous avons une horloge, nous pouvons résoudre le problème de la longueur.

Le problème de la longueur

Imaginez que vous parcourez l'océan Atlantique sur un bateau, supposons le XVI. Que par le XXe siècle, vous voulez savoir quelle est votre position, surtout pour ne rien coûter. Pour savoir quelle est votre position, vous aurez besoin de deux nombres : latitude et longitude. La latitude est relativement facile à calculer: Vous pouvez mesurer combien le soleil se lève à midi sur l'horizon et calculer où vous êtes selon le jour de l'année. La nuit, encore plus facile: avec la position des étoiles et la hauteur relative, vous pouvez faire le même calcul, sans avoir à attendre midi.

Mais… comment calculer la longueur ? Ce n'est pas possible. La façon habituelle est de compter le nombre de nœuds qui tombent en trente secondes après avoir lancé une corde à noeuds sur les tronçons d'une brassée du bateau à l'eau. Cette mesure est encore appelée noeud. Ensuite, sur une carte, en utilisant une mesure, vous pouvez marquer ces noeuds dans la direction que le bateau a et de savoir combien nous avons bougé par rapport à la position précédente. Il ne faut pas le dire: ce n'est pas une méthode très précise, et non seulement l'argent, mais aussi la vie ont été perdus à cause de cette inexactitude [9].

Ce problème a été appelé “le problème de la longueur” et la puissance nautique de chaque époque a offert beaucoup d'argent pour ceux qui trouvaient une solution. Lorsque Galileo a pensé à utiliser Io comme une horloge fixe, l'Espagne était la puissance marine et Philippe III le prix. Mais vingt ans après que Philippe III ait offert le prix, il a reçu la proposition de Galileo et, apparemment, ses secrétaires ont répondu en disant que ce n'était pas une méthode pratique. Ce n'était rien d'utile.

La proposition de Galilée exigeait au moins trois choses: Un marin avec celatone pour pouvoir observer les éclipses d'Io, une table d'éphémérides qui définissait l'éclipse ou, mieux encore, un jovilabium (un calculateur qui déterminait les positions des satellites, réalisé avec plusieurs pièces mobiles [10] —voir image—) et enfin une horloge pendule. La logique était que ce jovilabium fait à Pise nous dit quand les éclipses d'Io sont perçues à Pise avec une précision totale. Sur le bateau, si nous mesurons quand une éclipse est faite, le décalage horaire dépendra de notre latitude. Par exemple, si cela se produit 2 heures plus tard, étant donné que la journée a 24 heures et le monde 360 °, nous calculerons que nous sommes à 30º de Pise (puisque 2/24×360º = 30º).

Quelque temps plus tard, il essaya de vendre la même méthode aux Pays-Bas, avec quelques améliorations techniques : le porteur de celaton devrait flotter entre deux sphères séparées d'huile dans un siège oblique [11]. Il ne l'a pas obtenu pour des raisons pratiques: Jupiter ne peut pas être vu pendant la journée, dans la moitié des nuits de l'année ne peut pas être détecté et quand il peut être détecté peut être dans le nuage, déplacer les bateaux, les marins n'ont pas eu une connaissance technique aussi précise et, peut-être le plus important, une montre avec pendule ne fonctionne pas sur un bateau en mouvement.

Ioren dantza inexacte

Mais la méthode de Galilée avait une grande valeur sur terre. Contrairement à un bateau, cette méthode était très utile au sol pour déterminer sa longueur. Les cartes du monde ont été redessinées avec les mesures les plus concrètes jamais prises: les mers ont augmenté et la plupart des pays ont diminué. Sous la direction de Cassini, la France a réalisé des mesures de grande précision et réalisé que sa zone était inférieure à celle des cartes. On dit que Louis XIV a déclaré avoir perdu plus de territoire à cause des astronomes que de leurs ennemis.

Nous allons au but de cette histoire. Cependant, Cassin a réalisé que l'orbite d'Io n'était pas exacte et a attribué l'erreur à l'excentricité des orbites. Cassini a envoyé l'astronome Jean Picard à l'observatoire de Tycho Brahe pour analyser la précision des mesures. Ole Rømer, le dernier protagoniste de notre récit, y a collaboré.

Nous avons perdu la plupart des données de Rømer, qui ont été brûlées dans l'incendie de Copenhague en 1728 [12]. Mais nous savons qu'entre 1668 et 1678 il a observé les éclipses grâce à un papier qu'il n'avait pas brûlé et à une lettre envoyée à Christian Huygens [13]. Rømer s'est rendu compte que l'heure des éclipses variait en fonction de la position de la terre sur Jupiter: quand ils étaient en conjonction, loin, les éclipses se produisaient plus tard que prévu, et quand ils étaient en opposition, près, avant prédiction. Ce changement était en outre progressif et dépendait de la distance entre la Terre et Jupiter [14].

La seule solution était que la lumière prenait du temps pour atteindre la Terre depuis Jupiter, donc plus Jupiter était loin, plus l'éclipse était produite plus tard. Le 22 août 1676, devant la Royal Academy de Paris, on mentionne pour la première fois la vitesse de la lumière:

«La seconde inexactitude est due, semble-t-il, au fait que la lumière provenant du satellite prend un temps à arriver; elle semble prendre entre dix et onze minutes à parcourir la distance de demi-diamètre de l’orbite terrestre.» [15]

Aujourd'hui, nous savons que ce temps n'est pas de dix à onze minutes, mais de 8 minutes et 13 secondes. Nous savons aussi que la distance Terre-Soleil est de 149,6 millions de kilomètres, mais au temps de Rømer cette donnée ne pouvait pas être calculée correctement. Huygens a utilisé les données de Rømer pour calculer que la vitesse de la lumière était de 220.000 km/s, soit 26% de moins que la valeur réelle [16]. Un siècle plus tard, l'astronome Jean-Baptiste Joseph Delambre effectua un autre calcul en utilisant Io, selon lequel la lumière prenait 8 minutes et 12 secondes pour arriver du Soleil à la Terre, très près du montant réel [17].

A travers les courbes de la science

Je pense que j'ai lu Richard Dawkins, parlant du terme Dieu des Creux, chaque fois qu'une réponse scientifique est trouvée, deux autres vides surgissent. Mais j'ai laissé le livre à quelqu'un et maintenant vous ne pouvez pas trouver la référence exacte. Expliquez la conclusion que chaque fois que la science trouve une réponse, elle trouve de nouvelles ignorances qui ouvrent un chemin inconnu. Nous ne pouvons pas prédire où nous allons arriver parce que les nouvelles questions ne sont pas écrites.

Quand Galileo a étudié la précision d'Io, il ne voulait pas trouver la vitesse de la lumière. Cela a été un dommage latéral. Dans les dernières années de sa vie, persécuté par l'Eglise, Galilée est resté fermé dans sa maison. Avec l'utilisation du télescope, il s'est consacré à l'amélioration semi-aveugle, pendule montres et celatone, pensant qu'il obtiendrait un prix précieux avant sa mort. Quatre cents ans plus tard, Io apparaît dans la série The Expanse : quand un message est envoyé d'elle, le temps que la lumière prend sur les écrans de ces carnavals fictifs apparaît encore et encore. Il est possible qu'un jour l'homme arrive à Io; s'il se produisait, ils devront savoir quelle est la latitude et la longitude pour leur juxtaposition, même si c'est pour exploiter la précieuse récompense minérale qui est en place.

Références

1 The Associated Press (12-07-2003) « Arnold N. Nawrocki, Cheese Innovator, 78» The New York Times ISSN 0362-4331.

2 Châtaigniers, E. «Comment mesurer la vitesse de la lumière à la maison?» Lire avec la chimie 16-11-2015 . Date de consultation: 09-01-2020.

3 Drake, S. (1995) Galileo at work : his scientific biography (Douvres ed. Édition) Dover Publications ISBN 0-486-28631-2 PMC 32508102.

4 Ayala, L. (2010). Surpassing human nature: Reinventions of and the body as consequence of astronomical experiments in the seventeenth and eighteenth centuries. Metaverse Creativity, 1(1), 101–113. juste:10.1386/mvcr.1.101_1

5 Galilei, G... (2012) Le opere di galileo galilei. Nabu Press ISBN 1-286-54512-9.

6 Pasachoff, Jay M. (Mai 2015). “Simon Marius’s Mundus Iovialis: 400th Anniversary in Galileo’s Shadow”. Journal for the History of Astronomy. 46 (2): 218-234. Bibcode:2015JHA...46..218P. juste:10.1177/0021828615585493

7 Galilei, G, Sidereus Nuncius

8 Marius/Schlör, Mundus Iovialis, 78. Page 1

9 Possibilité de lire plus sur cette section: Sobel, Dava (D.L. 2012) Longueur: la véritable histoire d'un génie solitaire qui résout le plus grand problème scientifique de son temps Ehu Press ISBN 978-84-9860-745-1 PMC 864229958

10 Bedini, S. A. (1986). “The Galilea jovilabe”. Nuncius. 1 (1): 24–26.

11 « Apparatus to render a telescope manageable on shipboard » dans « Papers of the Board of Longitude : Papers regarding inventions and improvements of various astronomical and nautical instruments » Cambridge Digital Library

12 Meyer, K. (1915), “Om Ole Rømers Opdagelse af Lysets Tøven”, Det Kongchoisit Danske Videnskabernes Selskabs Skrifter, 7. Autres habitudes alimentaires 3.

13 Rømer, O. (30 septembre 1677), “Lettre Nº 2104”, à Bosscha, J. (eds. ), LO uvres complètes de Christian Huygens (1888–1950). Prendre VIII: Correspondance 1676–1684, La Haye: Martinus Nijhoff

14 Cruikshank, D. P.; Nelson, R. M. (2007). “A history of the exploration of Io”. À Lopes, R. M. C.; Spencer, J. R. (eds. ). Io after Galileo. Springer-Praxis. pp. 5-33. ISBN, 73-540-34681-4.

15 Bobis, L.; Lequeux, J. (2008), “Cassini, Rømer and the velocity of light” (PDF), J. Astron. Hist. Herit., 11 (2): 97–105.

16 Huygens, C. (8 janvier 1690). Thompson, S. P. (eds. ). “Treatise on Light”. Project Gutenberg etext.

17 Oldford, R.W (2000). “The first evidence”. Scientific Method, Statistical Method, and the Speed of Light. Université de Waterloo