Cette Foire aux Questions est vivante : posez votre question!
Pourquoi utiliser ce "rayon vert"? Les scientifiques se prennent-ils pour des rock stars ?La lumière laser se distingue de la lumière du soleil ou des ampoules à incandescence en ceci par exemple qu'elle peut se propager sur de très grandes distances sans diverger. L'expérience de Fizeau a été réalisée avec une source qui n'est pas un laser, mais l'adaptation moderne avec le laser vert permet :
1- de visualiser facilement le faisceau pour bien viser le coin de cube ;
2- de récupérer un maximum de lumière à travers les éléments optiques de l'expérience et après le trajet retour (quand la porte est ouverte) pour une meilleure mesure ;
3- eh oui...de se prendre un peu pour des rock stars : un laser rouge aurait aussi bien fait l'affaire mais l'œil humain est plus sensible dans le vert...alors c'est plus spectaculaire comme ça ! Pour les physiciens habitués à utiliser ce même laser vert commercial dans les labos, c'est tout de même très satisfaisant de la faire briller au-dessus des toits de Paris !
• Mais qui est ce c ?
La vitesse de la lumière dans le vide c est une constante fondamentale de la Physique. La théorie prévoit qu'elle existe et même que c'est la vitesse la plus grande à laquelle peut se propager une information mais ne donne pas sa valeur...c'est tout l'intérêt et la difficulté de la mesure de c. Depuis 1983 et avec la nouvelle définition du mètre, cette valeur est fixée à 299 792 458 m/s.
• Ce n’est pas dangereux ?
Le faisceau laser se propage avec sa divergence naturelle. Le diamètre dépasse 2m au niveau de Montmartre, ce qui le rend totalement inoffensif aux puissances du laser utilisées. Par contre il ne vaut mieux pas mettre son œil devant le faisceau qui sort directement du laser sur la terrasse de l'Observatoire. C'est pourquoi l'accès en est réservé aux courageux gardiens de faisceaux.
• La vitesse mesurée dépend-elle du temps qu'il fait ?
... c'est à voir !!!
• Pourquoi utiliser un 'coin de cube' ?
Il faut imaginer 3 miroirs disposés pour former un coin de cube, faces réfléchissantes vers l'intérieur du cube. Ce dispositif optique, familièrement appelé 'coin de cube', permet d'obtenir un faisceau réfléchi parallèle au faisceau lumineux incident et ce quelque soit l'angle d'arrivée du faisceau incident !
Voyez-vous l'intérêt quand on vise un miroir de renvoi distant de plusieurs kilomètres ? Si le coin de cube était simplement un miroir plan, il faudrait être sûr d'arriver dessus avec un faisceau incident qui fait un angle très proche de 90° avec sa surface : une toute petite erreur d'angle enverrait en effet le faisceau retour n'importe où ! De tels retro-réflecteurs ont été disposés sur la Lune au cours des missions Apollo mais de façon plus usuelle c'est également une astuce utilisée pour les réflecteurs de bicyclettes !
Vous pouvez voir de plus près le coin de cube utilisé pour cette expérience sur la page des beaux objets.
• Qu'est ce qu'un acousto-optique ?
C'est un cristal dans lequel une onde acoustique interagit avec l'onde lumineuse qui se trouve défléchie. Plus précisément, l'onde acoustique comprime le cristal de façon périodique et crée un réseau d'indice sur lequel diffracte l'onde lumineuse.
Vous pouvez voir de plus près le dispositif acousto-optique utilisé dans l'expérience sur la page des beaux objets.
La première description théorique de la diffraction acousto-optique a été donnée par Brillouin [Brillouin, L. (1922). Diffusion de la lumière et des rayons x par un corps transparent homogène influence de l’agitation thermique. Annales de Physique, 17:88–122.]
• Comment avez-vous mesuré la distance ?
La vitesse de la lumière c est déduite dans notre expérience du temps de fermeture de la "porte" et de la longueur du trajet aller-retour entre les deux stations. Il faut donc en effet avoir une bonne détermination de cette distance. C'est pourquoi nous avons eu le précieux concours de l'Institut Géographique National qui a fait pour nous une mesure de distance par triangulation utilisant le GPS.
• c c'est la vitesse de la lumière dans le vide ! Alors que mesurez vous dans l'air pollué parisien ?
C'est vrai que la lumière aller-retour de notre expérience de Fizeau moderne (comme celle de l'expérience historique !) se propage dans l'air et non dans le vide ! La vitesse de la lumière dans le vide c est une constante universelle de la physique : elle est fixée par la définition du mètre et donc ne se mesure plus. Ce que nous mesurons ici c'est la vitesse de notre lumière dans l'air.
Dans l'expérience historique de Fizeau, l'indice de l'air (la différence entre la vitesse de propagation de lumière dans l'air et dans le vide) n'était pas pris en compte : seul le caractère fini de la vitesse de la lumière importait. Notre reconstitution se place dans ce cadre.
En fait, notre laser se propage dans l'air au-dessus de Paris qui est beaucoup moins homogène que l'air d'une salle de laboratoire par exemple. La température de l'air varie (d'un endroit à l'autre, d'un jour à l'autre, d'une heure à la suivante), sa teneur en eau et sa composition chimique aussi ... bref en plus de l'indice de l'air, il faudrait sans doute que nous prenions en compte dans nos mesures ses fluctuations au court du temps !
• Qu'est ce que la machine qui sert de logo à l'exposition ?
Ce compte-tours a été utilisé dans la version de Cornu de l'expérience de Fizeau. Il servait à mesurer avec une bonne précision la vitesse de la roue dentée qui servait de "porte" dans l'expérience historique.
• Fizeau avait une "porte à roue dentée" : pouvez-vous expliquer ?
Le faisceau lumineux est envoyé perpendiculairement à ces roues en rotation et au niveau des dents de sorte qu'il est périodiquement occulté ou laissé libre de continuer sa course. C'est le principe des modulateurs mécaniques ou 'chopper' utilisés de nos jours dans les laboratoires.
• Y'a t-il des filles ?
Mais si mais si ...regardez mieux la page de l'équipe ... mais si le problème vous préoccupe, vous pourrez consulter avec profit le site http://www.elles-en-sciences.org/ et explorer plus avant voire vous impliquer dans la page des associations.
• Y a t-il un jeu ???
Mais oui : ici
• Mais que peut-on voir et où ?
Le faisceau laser est le plus visible le long de son axe. Pour voir le rayon vert il faut donc se placer quelque part sur le trajet. Les alentours de l'Observatoire, le boulevard St Michel, le pont des Arts, la Pyramide du Louvre et bien sûr Montmartre nous ont été signalés comme de bons points d'observation. En avez-vous d'autres ?
En fait la lumière du laser vert n'est visible que parce qu'elle est réfractée par des particules dans l'air (poussières, pollen, gouttelettes) et donc d'autant plus visible que l'air est humide ou pollué : Les particules sur le chemin du laser réémettent la lumière qu'elles absorbent dans la direction du faisceau seulement (interférences constructives), c'est pourquoi il faut se placer bien dans l'axe et pas loin du Méridien de Paris.
Eh oui, une mesure de la vitesse de la lumière dans le vide spatial serait peut-être plus proche de la définition de c...mais elle serait moins spectaculaire : on ne verrait rien !
Parmi les 3 soirs de tir laser par semaine (mercredi, vendredi et samedi), les portes de l'Observatoire ne sont ouvertes que les vendredis soir pour l'exposition. Mais on peut trouver des panneaux explicatifs sur les grilles de l'Observatoire comme à Montmartre en tout temps.
• Pouvez-vous expliquer l'estimation de la précision de 100 km/s ?
Et pourquoi donner 6 chiffres significatifs pour chaque mesure, alors que le 4ème est déjà incertain ?
D’abord, une explication plus précise du principe de nos mesures :
- nous faisons varier la fréquence d'ouverture et de fermeture de la 'porte' a l'aide d'un générateur de fonction, et nous regardons -pour l'instant- le signal reçu par la photodiode à l'aide d'un oscilloscope.
Idéalement, la fréquence recherchée est celle pour laquelle il n'y a plus de lumière retour. Cependant, à cause de défauts de l'acousto-optique, il y en a toujours un petit peu de lumière retour : nous recherchons donc un minimum. En regardant le signal sur l'oscilloscope, on peut localiser ce minimum à environ 10 Hz près. Par exemple, pour une de nos mesures, nous avons estimé qu'il était entre 13,47 et 13,48 kHz. La fréquence mesurée est donc f=13,475 kHz+/- 5 Hz. Ce qui nous donne, environ, la marge d'erreur de 100 km/s. Ensuite, la vitesse de la lumière est donnée par c=2*d*2*f (où d est la distance entre l'Observatoire et Montmartre). En toute rigueur, nous avons donc un résultat avec une marge d'erreur de 100 km/s. Cette erreur est centrée sur la valeur de 'c' calculée par cette formule. Il serait cependant en effet certainement plus logique d'arrondir à 10km/s près. Pour le côté 'affichage' des résultats c'était plus joli - et toujours correct - avec tous les chiffres !
• Les mesures sont moins reproductibles que ce que votre fourchette d'incertitude autorise !
En effet, la valeur de notre mesure fluctue plus que la précision (barre d'erreur) affichée, plusieurs causes peuvent être invoquées :
- une liée aux variations de température, et surtout d'humidité. Nous devons encore faire ce calcul plus précisément. Nous pensons cependant qu'il ne pourra sans doute pas tout expliquer, tout au plus les variations au cours d'une même série de mesures (comme le soir de la Nuit Blanche par exemple). Dès que ce calcul sera fait nous le mettrons sur le site.
- une autre liée à ce que l'on appelle des erreurs 'systématiques' : c'est un paramètre qui, dans une expérience, ne varie pas (au moins sur un temps court) mais a une valeur différente de celle attendue. Il ne rentre donc pas dans la barre d'erreur affichée, qui elle rend compte de la précision relative d'une mesure par rapport à l'autre.
Dans notre cas, cette erreur systématique provient vraisemblablement du temps de réaction du modulateur acousto-optique (le temps d'ouverture et de fermeture de notre "porte" !) qui est d'environ 100 ns. En effet, quand l'alignement de l'expérience change légèrement, cet effet change également, donc cela explique les grosses variations d'un jour d'expérience à un autre. Nous cherchons donc un moyen de mesurer ce temps pour pouvoir nous affranchir de cet effet, mais ça reste encore à faire...