VITESSE DE PROPAGATION DES RAYONS DE DIVERSES COULEURS

404. Ancienne idée de Newton, reprise plus tard par Melvil et Courtixron, et enfin par Araito. — Depuis longtemps les physiciens se sont demandé si, dans le vide, les rayons de différentes couleurs se propagent avec la même vitesse, ou, en d’autres termes, s’il y a ou non dispersion dans le vide. Newton, dans une lettre à Flamsteed, l’engage déjà à observer attentivement l’immersion ou l’émersion des satellites de Jupiter et à voir si ces phénomènes ne sont pas accompagnés de coloration. En effet, si la vitesse de propagation n’était pas la même dans le vide pour les rayons de différentes couleurs, les rayons rouges se propageant plus vite que les rayons violets, à l’immersion les rayons rouges cesseraient de nous arriver avant les rayons violets et le satellite devrait se colorer en bleu ou en violet; de même, à l’émersion, les rayons rouges devraient nous arriver en premier lieu, et le satellite aurait une teinte rouge. Flamsteed n'observa rien de semblable et les idées de Newton furent oubliées jusqu’au milieu du xvin" siècle, où deux membres de la Société Royale de Londres, Melvil et Courtivron, appelèrent l’attention des astronomes sur cette question. Les résultats de l’observation furent négatifs.

Arago eut l’idée de substituer à l’observation de l’immersion ou de l’émersion des satellites de Jupiter, observation qui ne peut être très-exacte à cause du peu d’éclat de ces satellites et de la courte

durée du phénomène, l’observation des éclipses de soleil produites à la surface de Jupiter par les satellites. D’après ce que nous avons dit plus haut, les points que vient d’atteindre le cône d’ombre devraient disparaître colorés en violet; ceux qu’il vient de quitter seraient rouges. Dans cette méthode, au lieu de déterminer les changements d’un astre d’un éclat très-faible, on compare la teinte d’un petit disque à la teinte du reste de la planète, teinte qui est invariable. Les conditions sont donc beaucoup plus favorables; cependant Arago n’obtint aucun résultat.

405. méthode d'Araco fondée sur l'observation des étoiles changeantes. — Il eut alors l’idée de recourir à des étoiles changeantes. Il y a certaines de ces étoiles dont l’intensité se réduit presque à zéro; parmi les étoiles visibles à Paris, il faut citer Algol qui, en quelques heures, passe de la 3' à la 6' grandeur. Supposons qu’une étoile s’éteigne complètement, ou nous soit cachée par un écran opaque, ou tourne vers nous une partie non lumineuse; si les rayons différemment colorés se propagent dans le vide avec des vitesses inégales, comme la lumière met plusieurs années pour venir jusqu’à la terre, même des étoiles les plus rapprochées, si petite que soit la différence de vitesse de ces divers rayons, il pourra en résulter une différence d’un quart d’heure on même d’une demiheure entre les temps qu’ils emploient pour venir de l’étoile à la terre. Donc, si l’étoile s’éteint par une cause quelconque, les rayons rouges cesseront d’arriver un quart d’heure ou une demi-heure avant les rayons violets, et, pendant ce temps, l’étoile paraîtra colorée des teintes les plus réfrangibles du spectre. De même, lorsque l’étoile reparaîtra, les rayons rouges nous arriveront un quart d’heure ou une demi-heure avant les rayons violets, et, pendant ce temps, l’étoile paraîtra colorée des teintes les moins réfrangibles du spectre.

Si les changements d’intensité des étoiles ne sont pas accompagnés de changements de teintes ou si ces changements de teintes ne se font pas d’après les lois que nous venons d’indiquer, il faudra en conclure qu’il n’existe aucune différence sensible entre les vitesses de propagation des rayons de différentes couleurs dans le vide : les changements irréguliers de couleur qu’on pourrait observer devraient

être attribués à des phénomènes physiques s’opérant à la surface de l’étoile. Les observations faites sur Algol ont démontré de la manière la plus nette que les changements de teintes qui résulteraient d’une inégalité de vitesse entre les rayons de différentes couleurs ne se produisent pas.

Remarquons que, pour qu’on puisse tirer de là une conclusion légitime, il est nécessaire de répéter l’observation à des époques où la terre a des vitesses différentes; sans quoi il pourrait arriver que, par une coïncidence fortuite, les rayons violets envoyés par l’étoile avant sa disparition arrivent en même temps que les rayons rouges envoyés avant la réapparition suivante, ce qui. malgré l’inégalité de vitesse des deux espèces de rayons, fait disparaître la coloration; mais cette coïncidence ne pourrait exister que pour une position particulière de la terre, et la coloration reparaîtrait pour toute autre position.

Il est donc nettement démontré que les temps nécessaires aux rayons rouges et aux rayons violets pour venir d’une étoile dont la lumière met plusieurs années à arriver jusqu'à nous ne diffèrent pas de cinq minutes. Donc les vitesses de propagation des rayons de différentes couleurs dans le vide ne diffèrent pas de de leur valeur, c’est-à-dire que, si cette différence existe, elle est bien audessous des quantités que nous pouvons mesurer.

406. Coloration produite par le mouvement dea milieux pondérables. — Il nous reste à parler des changements de couleur que peut produire le mouvement des milieux pondérables. C’est là un point que Fresnel avait négligé d’examiner. Considérons un prisme entraîné par le mouvement de la terre et recevant les rayons venant d’une étoile; supposons ce prisme animé d’une vitesse dirigée vers l’étoile et égale à 0; soient v la vitesse de propagation de la lumière dans le vide, T la durée d’une vibration de l’éther dans le vide : à un certain instant les molécules d’éther qui se trouvent à la surface du prisme sont dans une certaine période de leur mouvement; les points de l’éther qui sont à une distance X — eT de cette surface sont dans la même période de leur mouvement. Si le prisme était immobile, il faudrait un temps T pour que ce mouvement

arrivât à la surface du prisme, et la durée de la vibration sur cette surface serait T; mais le prisme vient au-devant du rayon lumineux avec une vitesse 0; donc le mouvement parti des points situés à une distance X de la portion initiale du prisme rencontrera ce prisme après avoir parcouru une longueur y donnée par l’équation

d’où

ex

v = vTe-

A ce moment la surface du prisme sera dans la même phase de vibration qu’à l’instant initial.

La durée d’une vibration à la surface du prisme est donc le temps nécessaire à la lumière pour parcourir la distance y, temps

égal à

; si le prisme était immobile, la durée d’une vibration

serait ce temps est'donc réduit dans le rapport de r à v-\-Q. On

verrait de même que, si le prisme s’éloignait de l’étoile avec une vitesse 6, la durée d’une vibration serait augmentée dans le rapport de e—0 à e. De ces changements dans la durée des vibrations résulte un changement de coloration ; mais les effets dont il s’agit sont très-petits. En effet, la longueur d’ondulation se trouve altérée d’environ de sa valeur, changement qui pourrait être appréciable par l’observation du déplacement des raies du spectre donné par l’étoile. Mais l’expérience présente de grandes difficultés et n’a pas encore été réalisée.

407. Idée de Tl. Doppler eue l'explication de» couleur» complémentaire» de certaine» étoile» double». — C’est M. Christian Doppler qui a le premier appelé rallenlion des physiciens sur les changements décoloration que peut produire le mouvement des eoq>s pondérables. 11 a appliqué ces idées à l’explication du phénomène si singulier de la couleur complémentaire, que présentent assez fréquemment les étoiles d’un même système double.

On sait que ces étoiles ont des masses comparables, et qu’elles

tournent, non pas l’une autour de l’autre, mais autour de leur rentre de gravité commun: on peut donc les supposer animées au même instant de vitesses sensiblement égales et de sens contraires.

Pour la lumière venant de l’étoile qui se rapproche de la terre, la durée de vibration est diminuée, et, par suite, si elle était d’abord blanche, elle se colorera en bleu ou en violet. Pour la lumière venant de l’étoile qui s’éloigne delà terre, la durée de vibration est augmentée d’une quantité égale à celle dont elle est diminuée pour l’autre; cette lumière se colorera donc d’une teinte complémentaire de la première.

Mais dans cette théorie, pour que les colorations fussent sensibles, il faudrait que la vitesse des étoiles dont il s’agit fût comparable à la vitesse de propagation de la lumière, ce qui est difficile à admettre.

Il est facile de voir que ce phénomène de coloration n’a pas lieu pour les sources lumineuses qu’on observe à la surface de la terre. Dans ce cas la source est entraînée par le mouvement de la terre aussi bien que l’observateur, et il y a compensation. En effet, considérons un mouvement vibratoire partant de la source: au bout du temps T d’une vibration, ce mouvement a parcouru une longueur X, mais la source a marché de 0T en sens contraire; donc la distance de deux points qui sont dans la même phase de leur mouvement vibratoire, ou la longueur d’ondulation, sera X+0T. Mais l’observateur marchant vers la source avec une vitesse 0, on verrait comme plus haut que le temps d’une ondulation serait réduit dans le rapport de t’ à v+6, et que, par suite, la longueur de l’ondulation serait réduite dans le rapport de t’T à rT+0T ou de X à X + OT. Donc tout se passe pour l’observateur comme si la longueur d’ondulation était X.

408. Vérification directe de* idées de fi. Doppler dans le eas du son, par fflll. Scott Russell et Buys Ballot. —

M. Doppler a fait remarquer que des phénomènes du même genre doivent se manifester dans le cas du son , lorsqu’on se rapproche d’un corps sonore : la durée d’une vibration doit diminuer et le son monter à l’aigu; si, au contraire, on s’éloigne du corps sonore, la durée d’une vibration augmentera et le son deviendra plus grave.

Ces conséquences de la théorie ont été vérifiées expérimentalement par deux observateurs, MM. Scott Russell et Buys-Ballot. Ce dernier opéra sur 1p chemin de fer d’Utrecht J Amsterdam; il fit pincer à des distances d’un kilomètre des personnes munies d’instruments à vent ou à cordes, parfaitement accordés de manière à donner la même note; il se plaça sur une locomotive lancée à toute vitesse et reconnut que l’acuité du son augmentait à mesure qu’il se rapprochait de l’un de ces instruments et diminuait quand il s’en éloignait : la différence était d’environ un demi-ton.

A09. Expérience de DI. Ftieau. — M. Fizeau a opéré d’une façon plus simple : il employait deux roues concentriques (fig. a58); la roue extérieure portait un certain nombre de dents aux extrémités d’un même diamètre, la roue intérieure ne portait qu’une dent. Supposons que cette dernière roue reçoive un mouvement rapide de rotation dans le sens de la flèche, la roue extérieure restant fixe et l’observateur étant placé en 0; lorsque la dent de la roue intérieure rencontre les dents supérieures de la roue extérieure, on a un corps sonore qui se rapproche de l’observateur; lorsqu’elle rencontre les dents inférieures, on a un corps sonore qui s’éloigne de l'observateur. On doit donc, d’après ce que nous avons dit, avoir une succession de deux sons, l’un plus aigu, l’autre plus grave : c’est effectivement ce que l’on observe.

Fig. *58.

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