Albert Abraham Michelson : L'homme qui n'a rien trouvé

En 1887, à Cleveland, Michelson et Edward Morley construisirent un instrument suffisamment sensible pour détecter le mouvement de la Terre à travers l'éther luminifère, le milieu invisible dans lequel la physique du XIXe siècle supposait que la lumière devait onduler. Ils ne trouvèrent aucun mouvement du tout. Ce résultat nul est parmi les plus conséquents de l'histoire des sciences, et son auteur passa le reste de sa vie à faire ce qu'il avait toujours fait : mesurer les choses avec plus d'exactitude que quiconque auparavant.

De Strzelno à Virginia City

Il est né le 19 décembre 1852 à Strelno, alors en Prusse et aujourd'hui Strzelno en Pologne, au sein d'une famille juive polonaise ayant émigré aux États-Unis alors qu'il était un jeune enfant. Son père tenait un magasin, et le garçon grandit dans les rudes villes minières de l'Ouest américain : Murphy's Camp en Californie, Virginia City dans le Nevada. Pour le lycée, il vécut à San Francisco chez une tante, Henriette Levy, terminant l'école publique en 1869. Sa sœur Miriam devint romancière. La famille n'était pas pratiquante ; Michelson resta agnostique toute sa vie.

Une nomination du président Grant

En 1869, il reçut une nomination spéciale à l'Académie navale des États-Unis de la part du président Ulysses S. Grant. Au cours de ses quatre années comme aspirant, il se distingua en optique, en thermodynamique, en climatologie et en dessin technique, obtenant son diplôme d'enseigne en 1873. Suivirent deux années de service en mer aux Antilles, puis un retour à Annapolis en 1875 pour enseigner la physique et la chimie.

C'est là, en 1877, qu'une démonstration en classe se transforma en carrière. Invité à montrer aux étudiants comment mesurer la vitesse de la lumière, Michelson améliora l'appareil si radicalement qu'en 1879 il publia un chiffre formel : 299 910 kilomètres par seconde, à plus ou moins 50 près. Cette année-là, il fut affecté au Nautical Almanac Office à Washington pour travailler avec Simon Newcomb, puis se rendit en Europe (Berlin, Heidelberg, le Collège de France, l'École Polytechnique) avant de démissionner de sa commission.

À la poursuite de la lumière

La vitesse de la lumière devint le pivot de sa vie. Sa valeur de 1883 était de 299 853 ± 60 km/s. Entre 1920 et 1926, il fit passer un faisceau entre l'observatoire du mont Wilson et Lookout Mountain, à trente-cinq kilomètres de distance, et obtint 299 796 ± 4 — une précision qui aurait été inimaginable pour lui-même plus jeune, bien que le séisme de Santa Barbara de 1925 ait pu déplacer la base sous ses pieds. Sa dernière campagne, commencée en 1929, fit passer la lumière dans un tube sous vide près de Santa Ana. Il mourut alors que seules 36 des 233 séries de mesures prévues étaient terminées ; le résultat, 299 774 ± 11 km/s, fut publié en 1935, quatre ans après sa mort. En cinquante ans, il avait réduit l'incertitude sur la constante fondamentale de l'univers de cinquante kilomètres par seconde à onze.

L'instrument qui a rendu cela possible était le sien. En 1881, il construisit l'interféromètre, qui divise un faisceau de lumière en deux, envoie les moitiés sur des chemins perpendiculaires et les recombine de sorte que les franges d'interférence révèlent des différences de longueur de chemin bien plus petites qu'une longueur d'onde.

Le résultat nul le plus célèbre de la science

Nommé à la Case School of Applied Science de Cleveland en 1883, il perfectionna l'interféromètre et, en 1887, s'associa à Edward Morley de la Western Reserve University voisine. La logique était simple : si la Terre laboure un éther stationnaire, la lumière envoyée dans la direction du déplacement devrait mettre sensiblement plus de temps à revenir que la lumière envoyée transversalement. Faites pivoter l'appareil et les franges devraient se déplacer.

Elles ne se déplacèrent pas. L'expérience a été qualifiée de démonstration canonique de l'inexistence d'un éther détectable. Hendrik Lorentz répondit en concevant les équations de contraction qui allaient devenir partie intégrante des mathématiques de la relativité restreinte. La mesure dans laquelle cela a influencé Einstein directement est moins claire que le suggère la légende ; Einstein lui-même a déclaré : « Je n'étais pas conscient que cela m'ait influencé directement… Je suppose que j'ai simplement tenu pour acquis que c'était vrai. » Michelson, de son côté, avait entrepris de mesurer l'éther, non de l'abolir, et ne s'est jamais totalement fait au monde relativiste que son expérience a contribué à inaugurer.

Chicago et le premier Nobel américain

Il passa à l'université Clark à Worcester en 1890, puis en 1892 à la nouvelle université de Chicago, où il fut professeur fondateur et premier chef du département de physique jusqu'à sa retraite en 1929. Il fut président de l'American Physical Society en 1900, de l'American Association for the Advancement of Science en 1910-1911, et de la National Academy of Sciences de 1923 à 1927. Il rejoignit la marine pendant la Première Guerre mondiale et conçut un télémètre ; il construisit également le spectroscope à échelon, un instrument à haute résolution pour diviser les raies spectrales.

En 1907, il devint le premier Américain à remporter un prix Nobel dans l'une des sciences. Les médailles s'accumulèrent autour de lui : Rumford (1888), Matteucci (1903), Copley (1907), Elliott Cresson (1912), Henry Draper (1916), la médaille Albert de la Royal Society (1920), le prix Jules-Janssen (1922), la médaille d'or de la Royal Astronomical Society et la médaille Franklin (toutes deux en 1923).

Mesurer une étoile

En 1920, avec Francis G. Pease au mont Wilson, il fit quelque chose que personne n'avait fait : mesurer le diamètre d'une étoile autre que le Soleil. En utilisant un dispositif périscopique qui envoyait la lumière provenant de deux sous-pupilles distantes de six mètres vers la pupille principale du télescope Hooker de 100 pouces, ils résolurent la géante rouge Bételgeuse. Tous les grands réseaux interférométriques en fonctionnement aujourd'hui — le VLTI au Chili, CHARA au mont Wilson, le NPOI de la marine — descendent de cet arrangement.

Pourquoi Albert est appelé un génie

La qualité en question n'est pas l'intuition théorique ; Michelson n'a proposé aucune loi et n'a écrit aucune équation portant son nom. C'est l'imagination instrumentale — la capacité de voir qu'une question que d'autres traitaient comme insoluble était en réalité un problème de construction d'une meilleure règle, puis de la construire. L'interféromètre était une idée authentiquement nouvelle sur la façon de comparer deux quantités, et il transforma une question cosmologique abstraite en franges qu'une personne pouvait compter à l'œil nu. Cette même faculté produisit le spectroscope à échelon, le télémètre naval et l'interféromètre stellaire, et elle continua de réduire les barres d'erreur sur la vitesse de la lumière pendant un demi-siècle.

Le comité Nobel a honoré précisément cela : les instruments d'abord, les résultats ensuite. Il fut le premier scientifique américain que ses pairs européens traitèrent en égal, et les présidences de trois organismes nationaux confirment que ses collègues le pensaient aussi.

Le contre-argument honnête est que Michelson n'a pas compris la signification de son résultat le plus célèbre. Il traquait l'éther et fut déçu de ne pas le trouver ; Lorentz et Einstein en fournirent la signification. Il était, selon ses propres termes, moins poussé par de grandes questions que par le plaisir — lorsqu'on lui demanda pourquoi il étudiait la lumière, il aurait répondu « parce que c'est très amusant ». Appelez-le le plus grand expérimentateur de son âge plutôt que l'un de ses grands théoriciens, et l'affirmation tient sans effort.

Héritage

Il est mort à Pasadena le 9 mai 1931, à l'âge de soixante-dix-huit ans, son ultime expérience sur la vitesse de la lumière inachevée. Son nom figure sur des bâtiments de l'université de Chicago, de Case Western Reserve et de l'Académie navale, sur le laboratoire Michelson de la station d'armes navales de China Lake, et sur le prix et la série de conférences Michelson-Morley à Case Western. Le monument le plus important est procédural. L'interféromètre qu'il construisit en 1881 pour traquer un milieu qui s'est avéré ne pas exister est désormais un équipement standard partout où les physiciens ont besoin de comparer deux longueurs avec une précision impossible, et le réseau qu'il improvisa sur le mont Wilson en 1920 est l'ancêtre de chaque télescope qui résout une étoile comme un disque plutôt que comme un point.