Speed of Light
Qu'est-ce que la vitesse de la lumière ?
Quelque part dans l’espace, à des milliards d'années-lumière de la Terre, la lumière d'origine émise lors du Big Bang de l'univers continue d'illuminer de nouveaux territoires à mesure qu'elle s'éloigne de son point d'origine. Cela contraste fortement avec une autre forme de rayonnement électromagnétique originaire de la Terre, les ondes radioélectriques, notamment celles émises lors de la diffusion du premier épisode de la série télévisée américaine des années 1960, L'Extravagante Lucy. En effet, ces ondes continuent de retransmettre ledit épisode, avec une amplitude fortement réduite, quelque part dans l'espace lointain.
Le concept de base à l'origine de ces deux phénomènes implique la vitesse de la lumière (et toutes les autres formes de rayonnement électromagnétique).
À quelle vitesse la lumière se déplace-t-elle ?
La vitesse de la lumière a été étudiée de manière approfondie par les scientifiques ; elle est désormais exprimée sous la forme d'une constante et désignée par le symbole c dans les équations. La vitesse de la lumière n'est pas une véritable constante, il s’agit de la vitesse maximale de la lumière dans le vide. Bien que la lumière se déplace à la vitesse de 300 000 kilomètres par seconde environ, elle peut être modifiée par un changement des milieux qu’elle traverse ou par des interférences quantiques.
La lumière qui se déplace dans une substance, ou milieu, uniforme se propage en ligne droite à une vitesse relativement constante, à moins d’être réfractée, réfléchie, diffractée ou perturbée par un élément. Ce fait scientifique bien établi ne date pas de l'Âge atomique, ni même de la Renaissance. En effet, il a été défini pour la première fois vers 350 av. J.-C par Euclide, un mathématicien de la Grèce antique, dans le cadre de son traité de référence sur l’optique, Optica. Toutefois, l'intensité de la lumière (et des autres rayonnements électromagnétiques) est inversement proportionnelle au carré de la distance parcourue. Par conséquent, lorsque la lumière a parcouru l’équivalent de deux fois une distance donnée, son intensité est divisée par quatre.
À quelle vitesse la lumière se déplace-t-elle dans l'air et dans l'eau ?
Lorsque la lumière se propage dans l'air et pénètre dans un autre milieu, comme le verre ou l'eau, la vitesse et la longueur d’onde de la lumière diminuent (Figure 2), même si sa fréquence reste inchangée. Dans le vide, dont l'indice de réfraction est de 1,0, la lumière se déplace à la vitesse de 300 000 kilomètres par seconde environ. Toutefois, sa vitesse ralentit et passe à 225 000 kilomètres par seconde environ lorsqu'elle pénètre dans l'eau (indice de réfraction de 1,3 ; Figure 2) et à 200 000 kilomètres par seconde lorsqu'elle traverse du verre (indice de réfraction de 1,5). Lorsqu'elle traverse un diamant, dont l'indice de réfraction est plutôt élevé (2,4), la vitesse de la lumière est fortement diminuée (125 000 kilomètres par seconde), soit une baisse de 60 % par rapport à sa valeur dans le vide.
En raison des distances très importantes parcourues par la lumière entre les différentes galaxies (Figure 1) et à l’intérieur de la Voie lactée, la distance entre les étoiles n'est pas exprimée en kilomètres mais en années-lumière, soit la distance parcourue par la lumière en une année. Une année-lumière correspond à 9,5 billions de kilomètres (ou 5,9 billions de miles environ). La distance entre la Terre et l'étoile la plus proche après notre soleil, Proxima Centauri, est d'environ 4,24 années-lumière. À titre de comparaison, le diamètre de la Voie lactée est estimé à 150 000 années-lumière, tandis que la distance entre la Voie lactée et la galaxie d'Andromède est d'environ 2,21 millions d'années-lumière. Cela signifie que la lumière émise par la galaxie d'Andromède qui atteint la Terre aujourd'hui aura mis 2,21 millions d'années pour parcourir cette distance, à moins d’avoir été réfléchie ou réfractée par des corps célestes ou des débris en cours de route.
![Image montrant à quelle vitesse la lumière se déplace dans l'eau, le verre et le diamant]](https://static3.olympus-lifescience.com/data/olympusmicro/primer/lightandcolor/images/lightspeedfigure2.jpg?rev=B326)
Lorsque des astronomes observent le ciel, ils observent à la fois des phénomènes en temps réel, d'un passé récent et d'un passé très lointain. Par exemple, à l'époque à laquelle les constellations ont été décrites par les pionniers babyloniens, les astrologues arabes et les astronomes grecs, il était encore possible d'observer les étoiles qui formaient la queue du scorpion de la constellation Scorpius (Scorpion pour les astrologues). Les étoiles formant la queue du scorpion de ladite constellation sont apparues sous forme de novas entre 500 et 1000 avant J.-C., et ne sont aujourd'hui plus visibles des astronomes amateurs. Bien que certaines étoiles observées aujourd'hui sur Terre sont mortes depuis longtemps, leurs ondes lumineuses continuent de faire parvenir leur image jusqu'à nous, ce qui nous permet de les observer à l'œil nu et au télescope. Concrètement, la lumière émise lors de leur destruction (et l'obscurité de leur absence) n'a pas encore eu le temps de parcourir les immenses distances de l'espace lointain.
Histoire des débuts de la mesure de la vitesse de la lumière
Empédocle d'Agrigente, qui a vécu aux environs de 450 avant J.-C., fut l'un des premiers philosophes à supposer que la lumière voyageait à une vitesse finie. Près d'un millénaire plus tard, aux environs de 525 après J.-C., le mathématicien et savant romain Anicius Boethius (dit Boèce) a tenté d’étudier la vitesse de la lumière. Cependant, après avoir été accusé de trahison et de sorcellerie, il fut décapité pour ses recherches scientifiques. Depuis l'invention de la poudre noire par les Chinois et son utilisation pour les feux d'artifices et les balises, l'Homme n'a eu de cesse de se questionner sur la vitesse de la lumière. En effet, le flash lumineux étant séparé de plusieurs secondes du son de l'explosion, l'Homme n'a pas eu besoin de faire de grands calculs pour réaliser que la vitesse de la lumière était plus rapide que la vitesse du son.
Vitesse de la lumière dans des matériaux transparents
En fonction de l'indice de réfraction d'un matériau, découvrez à quel point la vitesse de la lumière baisse lorsque cette dernière pénètre dans un nouveau milieu transparent tel que l'air, l'eau ou le verre.
Les secrets qui se cachaient derrière les explosifs conçus par les Chinois sont arrivés en Occident au cours du XIIIème siècle et, avec eux, le questionnement autour de la vitesse de la lumière. Avant cette période, les savants avaient pu observer que l'éclair était suivi quelques secondes plus tard par le grondement de la foudre lors d'un orage sans, toutefois, parvenir à fournir une explication scientifique rationnelle sur la nature de ce décalage. Le savant arabe Alhazen fut le premier véritable scientifique à s'intéresser à l'optique et à suggérer (vers 1000 après. J.-C.) que la vitesse de la lumière avait une valeur finie. Vers 1250 après. J.-C., reprenant les travaux d'Alhazen, le savant et pionnier britannique Roger Bacon écrivait que la vitesse de la lumière avait une valeur définie, bien que très rapide. Toutefois, la majorité des scientifiques de cette époque continuait de penser que la vitesse de la lumière était infinie et ne pouvait pas être mesurée.
En 1572, le célèbre astronome danois Tycho Brahe fut le premier à décrire une supernova s'étant produite dans la constellation de Cassiopée. Après avoir observé une « nouvelle étoile » apparaître soudainement dans le ciel, avoir vu son intensité lumineuse croître doucement, puis décroître jusqu'à ne plus la voir à l'œil nu en seulement 18 mois, l'astronome était perplexe et intrigué. Ces nouvelles observations célestes ont poussé Brahe et ses contemporains à se questionner sur le bien-fondé de l'idée largement répandue à l'époque que, dans cet univers parfait et immuable, la vitesse de la lumière est infinie. Bien que certains scientifiques du XVIème siècle aient commencé à remettre en question les croyances de leur époque stipulant que la vitesse de la lumière était infinie, celles-ci ont été difficiles à remplacer. En 1604, le physicien allemand Johannes Kepler a émis l'hypothèse que la vitesse de la lumière était instantanée. Dans ses notes, il a ajouté que le vide de l'espace ne ralentissait pas la vitesse de la lumière, mettant ainsi un frein, dans une certaine mesure, à la quête de ses contemporains concernant l'éther qui était supposé remplir l'espace et transporté la lumière.
Estimations de la vitesse de la lumière par Ole Roemer
Quelques années après l'invention du télescope et après avoir apporté quelques améliorations mineures à ce dernier, l'astronome danois Ole Roemer (en 1676) fut le premier scientifique à tenter d'estimer, de manière rigoureuse, la vitesse de la lumière. En étudiant le satellite Io de Jupiter et ses fréquentes éclipses, Roemer a été capable de prédire la périodicité d'une éclipse de Lune (Figure 3). Cependant, au bout de plusieurs mois, il a remarqué que ses prédictions devenaient de moins en moins précises, avec des intervalles de plus en plus longs, et ce, jusqu'à atteindre une erreur d'environ 22 minutes (un écart plutôt important compte-tenu de la distance parcourue par la lumière au cours de cet intervalle). Puis, curieusement, ses prédictions sont redevenues plus précises au bout de plusieurs mois, le cycle se répétant. Travaillant à l'Observatoire de Paris, Roemer a rapidement réalisé que la distance entre la Terre et Jupiter variait, et ce, à cause des trajectoires orbitales des planètes. À mesure que Jupiter s'éloigne de la Terre, la lumière doit parcourir une plus grande distance. Par conséquent, la lumière met plus de temps pour atteindre la Terre. En utilisant la distance calculée à l'époque, et peu fiable, entre la Terre et Jupiter, Roemer a estimé que la vitesse de la lumière circulait à 220 000 kilomètres (ou 137 000 miles) par seconde. La Figure 3 est une reproduction du dessin technique d'origine de Roemer montrant la méthodologie utilisée pour déterminer la vitesse de la lumière.
Les travaux de Roemer ont fait sensation au sein de la communauté scientifique et ont permis à de nombreux savants de commencer à remettre en question leurs conjectures sur la vitesse de la lumière, supposée être infinie. Par exemple, dans son traité de référence Philosophiae naturalis principia mathematica (Principes mathématiques de la philosophie naturelle) paru en 1687, Sir Isaac Newton déclare qu'« il est certain, par la découverte des phénomènes des satellites de Jupiter, confirmée par les observations de plusieurs astronomes, que la propagation de la lumière est successive, et qu'elle parcourt la distance entre le Soleil et la Terre en sept ou huit minutes ». Cela constitue une estimation très proche de la vitesse réelle de la lumière. Le respect accordé aux opinions de Newton, et sa grande renommée, ont contribué, à l'époque, à la révolution scientifique et ont aidé de nombreux scientifiques, maintenant convaincus que la vitesse de la lumière est finie, à mener de nouveaux travaux de recherche.
Estimations de la vitesse de la lumière par James Bradley
Le prochain scientifique à fournir une estimation utile de la vitesse de la lumière fut le physicien britannique James Bradley. En 1728, un an après la mort d'Isaac Newton, James Bradley a estimé la vitesse de la lumière dans le vide, grâce aux aberrations stellaires, à environ 301 000 kilomètres par seconde. Ces aberrations se manifestent par un déplacement visible de la position des étoiles causé par la rotation de la Terre autour du Soleil. Le degré de l'aberration stellaire peut être déterminé à partir du ratio de la vitesse orbitale de la Terre par rapport à la vitesse de la lumière. En mesurant l'angle de l'aberration stellaire et en appliquant ces données à la vitesse orbitale de la Terre, James Bradley fut capable d'estimer très précisément la vitesse de la lumière.
En 1834, Sir Charles Wheatstone, inventeur du caléidoscope et pionnier en science du son, a tenté de mesurer la vitesse de l'électricité. Pour ce faire, Sir Charles Wheatstone a inventé un instrument qui utilisait des miroirs tournants et la décharge capacitive au sein d'une bouteille de Leyde en vue de générer et de chronométrer les mouvements des étincelles à travers près de 12,9 km de câble (8 miles). Malheureusement, ses calculs (et peut-être son instrument) étaient faux. En effet, Sir Charles Wheatstone a estimé la vitesse de l'électricité à 463 491 kilomètres (288 000 miles) par seconde, une erreur l'ayant mené à croire que l'électricité se déplaçait plus rapidement que la lumière. Le français Dominique François Jean Arago a ensuite repris les travaux de recherche de Wheatstone. Même si ce dernier n'a pu terminer ses recherches avant de devenir aveugle en 1850, François Arago a établi avec brio que la lumière se déplaçait plus lentement dans l'eau que dans l'air.
Expériences de Fizeau et de Foucault relatives à la vitesse de la lumière
Pendant ce temps, en France, les rivaux Armand Fizeau et Jean Bernard Léon Foucault tentaient tous deux de mesurer la vitesse de la lumière sans utiliser de phénomènes astronomiques, à partir des découvertes d'Arago et des améliorations apportées à l'instrument à miroir tournant mis au point par Wheatstone. En 1849, Armand Fizeau mit au point un instrument capable de produire un faisceau lumineux qui passait à travers une roue dentée (au lieu d'un miroir pivotant) jusqu'à atteindre un miroir fixe positionné à une distance de 8,9 kilomètres (5,5 miles). En faisant tourner rapidement la roue, il était capable d’orienter le faisceau dans l’espace entre deux bâtons de la roue à l'aller et de détecter les rayons réfléchis dans l’espace suivant entre deux bâtons au retour. Puisqu'il connaissait la vitesse de rotation de la roue et la distance parcourue par la lumière pulsée, Armand Fizeau fut capable de calculer la vitesse de la lumière. Il a également découvert que la lumière se propage plus vite dans l'air que dans l'eau (confirmant ainsi l'hypothèse d'Arago). Ce seront finalement les expériences menées par son compatriote Foucault qui confirmeront ce postulat.
Afin de mesurer la vitesse de la lumière, Léon Foucault a quant à lui utilisé un miroir tournant dont la rotation à vitesse élevée était possible grâce à l'utilisation d'une turbine à air comprimé. Le principe de son appareil (Figure 4) consiste en un faisceau de lumière étroit traversant une ouverture, puis une paroi en verre (qui joue le rôle de séparateur de faisceau) marquée d’une échelle graduée avant de rencontrer le miroir tournant à grande vitesse. La lumière réfléchie par le miroir tournant est orientée vers une série de miroirs fixes disposés en zigzag pour accroître la longueur du trajet de la lumière d’environ 20 mètres environ, sans augmenter la taille réelle de l’instrument. Le temps que la lumière soit réfléchie par chacun des miroirs fixes et revienne au miroir pivotant, la position de ce dernier a été légèrement modifiée. Par la suite, la lumière réfléchie par le miroir pivotant dont la position a été modifiée suit un nouveau trajet de retour à la source en passant par un microscope monté sur l'instrument. Le léger décalage du trajet lumineux peut alors être observé au microscope et enregistré. En analysant les données obtenues lors de son expérience, Foucault a estimé que la lumière se déplaçait à la vitesse de 298 000 kilomètres par seconde (soit 185 000 miles par seconde environ).
Le trajet de la lumière de l'instrument utilisé par Foucault était assez court pour mesurer la vitesse de la lumière dans d'autres milieux que l'air. Il a découvert que la valeur de la vitesse de la lumière dans l'eau ou le verre était égale à seulement deux tiers environ de sa valeur dans l'air. Il en a également déduit que la vitesse de la lumière passant dans un milieu donné est inversement proportionnelle à l'indice de réfraction de celui-ci. Ce résultat majeur est cohérent avec les conjectures sur le comportement de la lumière développées des centaines d'années plus tôt avec la théorie ondulatoire de la propagation de la lumière.
Instrument de mesure de la vitesse de la lumière de Michelson et Morley
À la suite des travaux de Foucault, un physicien américain d'origine polonaise, Albert A. Michelson a tenté d'accroître la précision de la méthode et a réussi à mesurer la vitesse de la lumière en 1878 à partir d'une version plus complexe de l'instrument, installée le long d'une paroi de 700 m (2000 pieds) longeant les rives du fleuve Severn, en Angleterre. En investissant dans des lentilles et miroirs de haute qualité pour focaliser et réfléchir un faisceau lumineux sur un trajet bien plus long que celui utilisé par Foucault, Michelson a finalement établi la mesure suivante : 299 909 kilomètres par seconde (186 355 miles par seconde), avec une marge d'erreur possible d'environ 48 kilomètres par seconde (30 miles par seconde). Étant donné la complexité croissante de son schéma expérimental, la précision de la mesure de Michelson était plus de 20 fois supérieures à celle de Foucault.
À la fin des années 1800, de nombreux scientifiques pensaient encore que la lumière se propageait dans l'espace en utilisant un milieu de transport appelé « éther ». En 1887, Michelson s'est associé au scientifique Edward Morley pour mettre au point une méthode expérimentale capable de détecter la présence d'éther grâce à l'observation des changements de vitesse de la lumière au fur et à mesure que la Terre achevait sa rotation autour du Soleil. Afin d'atteindre cet objectif, ils ont mis au point un interféromètre capable de diviser un faisceau lumineux et de rediriger chacun des faisceaux nouvellement créés à travers deux trajets différents, de plus de 10 mètres de long chacun, grâce à un ensemble complexe de miroirs. Michelson et Morley en ont déduit que si la Terre se déplaçait dans de l'éther, le faisceau réfléchi passant perpendiculairement au flux d'éther devrait parcourir plus de distance que le faisceau réfléchi se déplaçant parallèlement à l'éther. Partant de ce principe, il aurait dû être possible d'observer un retard au niveau de l'un des faisceaux de lumière, une fois ceux-ci recombinés par interférence.
L'instrument expérimental conçu par Michelson et Morley était imposant (Figure 5). Monté sur une dalle en pierre de plus de 1,50 mètre carré et de 35,5 cm d'épaisseur tournant lentement sur elle-même, l'instrument était également protégé par un bassin de mercure. Ce dernier était placé entre la dalle et l'instrument et jouait le rôle d'absorbeur de chocs sans frottement, et permettait de supprimer les vibrations provenant de la Terre. Une fois la dalle en mouvement, celle-ci pouvait atteindre une vitesse maximale de 10 révolutions par heure. Il fallait alors plusieurs heures pour que celle-ci s'arrête à nouveau. La lumière traversant l’élément fractionnant le faisceau et réfléchie par les miroirs fut alors examinée au microscope en vue de détecter des franges d'interférences. Mais aucune frange n'avait pu être observée. Malgré cet échec, Michelson décida d'utiliser son interféromètre pour déterminer avec précision la vitesse de la lumière. Le résultat obtenu, 299 853 kilomètres par seconde, soit 186 320 miles par seconde, est resté le résultat de référence pendant les 25 années qui ont suivi. L'expérience de Michelson - Morley ne réussit pas à mettre en évidence d'altérations de la vitesse de la lumière. Néanmoins, cette expérience marque le début de la remise en question de la théorie de l'éther. Celle-ci fut définitivement écartée grâce aux théories d'Albert Einstein, parues au début du XXème siècle.
Théorie de la relativité restreinte d'Einstein et vitesse de la lumière
En 1905, Einstein a publié sa théorie de la relativité restreinte. Celle-ci s'ensuivit, en 1915, par la théorie de la relativité générale. La première théorie se concentrait sur le déplacement des objets à vitesse constante les uns par rapport aux autres tandis que la seconde théorie s'intéressait à l'accélération et à ses liens avec la gravité. Les théories d'Einstein ont remis en question des postulats établis depuis longtemps, notamment les lois du mouvement d'Isaac Newton, et ont constitué un tournant capital en physique. Le principe de relativité repose sur le fait que la vitesse d'un objet peut uniquement être déterminée en fonction de la position de l'observateur. Par exemple, un homme marchant dans un avion de ligne se déplace à plus de 1600 kilomètres par heure (1000 miles par heure) à l'intérieur du référentiel de l'avion (qui se déplace lui-même à 965 kilomètres par heure, soit 600 miles par heure). Toutefois, pour un observateur au sol, l'homme semble se déplacer à 967 kilomètres par heure (601 miles par heure).
Dans ses calculs, Einstein est parti du principe que la vitesse de la lumière entre deux référentiels reste la même pour les observateurs situés dans les référentiels. Puisqu’un observateur situé dans un référentiel utilise la lumière pour déterminer la position et la vitesse des objets présents dans un autre référentiel, cela modifie la manière dont l'observateur perçoit la position et la vitesse des objets. Einstein s'est appuyé sur ce postulat pour en tirer plusieurs formules importantes décrivant comment apparaissent des objets présents dans un référentiel lorsqu'ils sont observés dans un autre référentiel qui, comparativement au premier référentiel, se déplace de manière uniforme. Les résultats obtenus par Albert Einstein l'ont amené à des conclusions inhabituelles, même si les effets sont uniquement perceptibles lorsque la vitesse relative d'un objet approche celle de la lumière. En bref, les principales conclusions des théories fondamentales d'Einstein et de son équation de la relativité souvent citée,
peuvent être résumées comme suit :
La longueur d'un objet décroît, du point de vue d’un observateur donné, à mesure que la vitesse de cet objet augmente.
Lorsqu'un référentiel se déplace, les intervalles de temps s’amoindrissent. En d'autres mots, un voyageur dans l'espace se déplaçant à la vitesse de la lumière, ou presque, pourrait voyager dans l'espace pendant plusieurs années, alors que le temps écoulé sur Terre ne serait que de quelques mois.
La masse d'un objet en mouvement croît à mesure que sa vitesse de déplacement augmente. Au fur et à mesure que la vitesse approche celle de la vitesse de la lumière, la masse de cet objet approche de l'infini. C'est pourquoi il est généralement considéré qu'il est impossible de voyager plus vite que la vitesse de la lumière. En effet, une quantité infinie d'énergie serait alors nécessaire pour mettre en mouvement une masse infinie.
Bien que la théorie de la relativité d'Einstein ait eu un impact sur le monde de la physique en général, celle-ci a eu des répercussions particulièrement importantes pour les scientifiques qui étudiaient la lumière. En effet, la théorie de la relativité a permis d'expliquer pourquoi l'expérience de Michelson - Morley n'avait pas su produire les résultats escomptés, dissuadant ainsi la tenue d'autres travaux scientifiques sérieux sur la nature de l'éther en tant que milieu de transport. Celle-ci a également permis de démontrer qu'aucun objet ne peut se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide et que cette vitesse est constante et immuable. Entre-temps, des scientifiques ont continué à mettre au point des instruments toujours plus complexes pour tenter de trouver la valeur exacte de la vitesse de la lumière et réduire les écarts de mesure.
Mesures de la vitesse de la lumière
Tableau 1
| Date | Chercheur | Méthode | Vitesse estimée en kilomètres/seconde |
|---|---|---|---|
| 1667 | Galilée | Lanternes couvertes | 333,5 |
| 1676 | Ole Roemer | Satellites de Jupiter | 220 000 |
| 1726 | James Bradley | Aberration stellaire | 301 000 |
| 1834 | Charles Wheatstone | Miroir tournant | 402 336 |
| 1838 | François Arago | Miroir tournant | |
| 1849 | Armand Fizeau | Roue rotative | 315 000 |
| 1862 | Léon Foucault | Miroir tournant | 298 000 |
| 1868 | James Clerk Maxwell | Calculs théoriques | 284 000 |
| 1875 | Marie-Alfred Cornu | Miroir tournant | 299 990 |
| 1879 | Albert Michelson | Miroir tournant | 299 910 |
| 1888 | Heinrich Rudolf Hertz | Rayonnement électromagnétique | 300 000 |
| 1889 | Edward Bennett Rosa | Mesures électriques | 300 000 |
| Années 1890 | Henry Rowland | Spectroscopie | 301 800 |
| 1907 | Edward Bennett Rosa et Noah Dorsey | Mesures électriques | 299 788 |
| 1923 | André Mercier | Mesures électriques | 299 795 |
| 1926 | Albert Michelson | Miroir tournant (interféromètre) | 299 798 |
| 1928 | August Karolus et Otto Mittelstaedt | Obturateur à cellule de Kerr | 299 778 |
| 1932 à 1935 | Michelson et Pease | Miroir tournant (interféromètre) | 299 774 |
| 1947 | Louis Essen | Cavité résonnante | 299 792 |
| 1949 | Carl I. Aslakson | Radar Shoran | 299 792,4 |
| 1951 | Keith Davy Froome | Radio-interféromètre | 299 792,75 |
| 1973 | Kenneth M. Evenson | Laser | 299 792,457 |
| 1978 | Peter Woods et son équipe | Laser | 299 792,4588 |
Les découvertes faites à la fin du XIXème siècle sur les ondes radio et les micro-ondes ont permis de mettre au point de nouvelles approches pour la mesure de la vitesse de la lumière. En 1888, plus de 200 ans après les premières observations astronomiques de Roemer, le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz parvenait à mesurer la vitesse des ondes radio. Hertz est arrivé à une valeur proche de 300 000 kilomètres par seconde, confirmant la théorie de James Clerk Maxwell selon laquelle les ondes radio et la lumière sont toutes deux des formes de rayonnement électromagnétique. Des preuves supplémentaires ont été obtenues dans les années 1940 et 1950, au moment où les physiciens anglais Keith Davy Froome et Louis Essen ont utilisé, respectivement, les ondes radio et les micro-ondes pour mesurer précisément la vitesse du rayonnement électromagnétique.
James Clerk Maxwell a également réussi à mesurer la vitesse de la lumière et d'autres formes de rayonnement électromagnétique, non pas grâce à des mesures, mais grâce à des déductions mathématiques. Pendant ses recherches en vue de trouver un lien entre l'électricité et le magnétisme, Maxwell a émis l'hypothèse qu'une altération du champ électrique crée un champ magnétique, à savoir le corollaire inverse de la loi de Faraday. Il a également émis l'hypothèse que les ondes électromagnétiques sont une association d'ondes électriques oscillantes et d'ondes magnétiques et a calculé la vitesse de ces ondes dans le vide à partir de la formule suivante :
où ε et µ correspondent respectivement à la permittivité et à la perméabilité de l'espace libre, deux constantes pouvant être mesurées avec un degré de précision assez élevé. La valeur obtenue est relativement proche de la mesure de la vitesse de la lumière.
En 1891, à la suite de ses travaux de recherche sur la vitesse de la lumière et l'astronomie, Michelson a mis au point un interféromètre à grande échelle en utilisant la lunette astronomique de l'observatoire Lick, en Californie. Ses observations reposaient sur le retard accumulé par la lumière lors de l'observation d'objets distants, tels que des étoiles, qui peut être analysé de façon quantitative afin de mesurer à la fois la taille des corps célestes et la vitesse de la lumière. Près de 30 ans plus tard, Michelson a déplacé son centre de recherche et rejoint l’observatoire du Mount Wilson, où il a appliqué les mêmes techniques expérimentales au télescope de 2,54 m (100 pouces) de l’observatoire, le plus grand du monde à cette époque.
En intégrant un prisme octogonal pivotant à son schéma expérimental, Michelson est arrivé à la valeur de la vitesse de la lumière suivante : 299 845 kilomètres par seconde. Bien que Michelson soit mort avant d'avoir terminé ses expériences, son confrère du Mount Wilson, Francis G. Pease, a continué à utiliser la même technique innovante pour mener des travaux de recherche jusque dans les années 1930. En utilisant un interféromètre modifié, Francis G. Pease a réalisé de nombreuses mesures au cours des années qui ont suivi. Il a finalement établi que la valeur précise de la vitesse de la lumière était de 299 774 kilomètres par seconde, la mesure la plus proche de la valeur réelle jamais mesurée jusqu'alors. Quelques années plus tard, en 1941, la communauté scientifique a défini une valeur de référence de la vitesse de la lumière. Cette valeur, à savoir 299 773 kilomètres par seconde, était fondée sur l’association des mesures les plus précises. La Figure 6 est une représentation graphique de toutes les mesures de la vitesse de la lumière réalisées au cours des 200 dernières années.
À la fin des années 1960, les lasers sont devenus des outils de recherche efficaces avec des fréquences et des longueurs d’onde extrêmement bien définies. Il est rapidement devenu évident qu'une mesure simultanée de la fréquence et de la longueur d’onde permettrait d'obtenir une valeur très précise de la vitesse de la lumière. Il s'agit d'une approche similaire à l'approche expérimentale avec les micro-ondes mise au point par Keith Davy Froome en 1958. Plusieurs groupes de recherche aux États-Unis et dans d'autres pays ont mesuré la fréquence du faisceau de 633 nm émis par un laser hélium-néon stabilisé à l'iode et ont obtenu des résultats très précis. En 1972, le National Institute of Standards and Technology a utilisé la technologie laser pour mesurer la vitesse de la lumière. La valeur obtenue était la suivante : 299 792 458 mètres par secondes (186 282 miles par seconde) et a permis de redéfinir le mètre en utilisant une estimation très précise de la vitesse de la lumière.
Depuis les découvertes de Roemer en 1676, la valeur de la vitesse de la lumière a été mesurée au moins 163 fois par plus de 100 scientifiques, en utilisant une grande variété de techniques différentes (voir le tableau 1 qui répertorie toutes les méthodes utilisées et indique le nom des scientifiques ainsi que les dates de mesure). Au fur et à mesure de l’amélioration des méthodes et des instruments de mesures, les limites d'erreur des estimations se réduisaient, même si la valeur de la vitesse de la lumière n'avait pas beaucoup changé depuis les calculs de Roemer effectués au XVIIème siècle. En 1983, plus de 300 ans après la première tentative sérieuse de mesure de la vitesse de la lumière, celle-ci a été établie à 299 792 458 kilomètres par seconde lors de la XVIIème conférence générale des poids et mesures. Ainsi, le mètre a été défini comme la distance parcourue par la lumière pendant un intervalle de temps de 1/299 792 458 secondes. Toutefois, la vitesse de la lumière est généralement (même dans le cadre de nombreux calculs scientifiques) arrondie à 300 000 kilomètres (ou 186 000 miles) par seconde. Arriver à définir une valeur de référence pour la vitesse de la lumière était important pour établir un système international d'unités qui permettrait aux scientifiques du monde entier de comparer leurs résultats et calculs.
Il existe une légère controverse quant à l’existence de preuves indiquant que la vitesse de la lumière aurait ralenti depuis l'époque du Big Bang, une époque à laquelle, selon certains scientifiques, la lumière se déplaçait plus rapidement. Bien que les arguments avancés et retenus ne puissent pas mettre un terme à ce débat, la plupart des scientifiques continue de soutenir le fait que la vitesse de la lumière est constante. Les physiciens soulignent que la vitesse actuelle de la lumière, telle qu'elle a été mesurée par Roemer et ses disciples, n'a presque pas changé. Selon eux, ces variations sont dues aux progrès apportés aux instruments scientifiques, et à l'amélioration de la précision des mesures, utilisés pour mesurer la vitesse de la lumière. De nos jours, la distance entre Jupiter et la Terre est connue et sa valeur est très précise, comme le sont le diamètre du système solaire et les trajectoires orbitales des planètes. Lorsque les chercheurs utilisent ces données pour refaire les calculs réalisés au cours des derniers siècles, ils obtiennent des valeurs de vitesse de la lumière comparables à celles obtenues avec des instruments plus modernes et complexes.
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