En 1676, un jeune astronome danois installé à Paris bouleverse l’histoire des sciences. Ole Rømer, alors assistant à l’Observatoire de Paris, démontre que la lumière ne se propage pas instantanément. Cette idée, aujourd’hui évidente, contredit pourtant l’opinion dominante depuis l’Antiquité.
Un problème astronomique qui cache une révolution
Depuis Galilée, les satellites de Jupiter sont observés avec attention. Leur régularité en fait des horloges célestes idéales pour déterminer la longitude, un enjeu majeur de navigation. Jean-Dominique Cassini, directeur de l’Observatoire de Paris, calcule des tables précises des immersions et émersions de Io dans l’ombre de Jupiter.
Mais un problème persiste : les éclipses de Io ne se produisent pas exactement aux moments prévus. Parfois elles ont de l’avance, parfois du retard. Cassini soupçonne une cause audacieuse : « la vitesse de la lumière n’est pas infinie ». Il laisse cependant à Rømer le soin de vérifier cette hypothèse.
Io tourne autour de Jupiter en 42,5 heures. Une seule révolution ne permet pas de détecter un retard de quelques secondes. Mais Rømer a une intuition : si la Terre se rapproche ou s’éloigne de Jupiter au cours de son orbite, la lumière mettra plus ou moins de temps à nous parvenir. L’effet sera minuscule pour une seule révolution, mais mesurable sur des dizaines. Dans le Journal des Sçavans du 7 décembre 1676, Rømer explique[1] :
« Ce qui n’était pas sensible en deux révolutions devenait très considérable pour quarante révolutions. »
Il observe donc Io pendant plusieurs mois, entre l’été et l’automne 1676. Quand la Terre s’éloigne de Jupiter, les émersions de Io semblent retardées. Quand elle s’en rapproche, elles semblent en avance. Le 9 novembre 1676, Rømer note une éclipse de Io qui se produit 10 minutes plus tard que prévu. Ce décalage n’est pas dû à Io : il est dû au temps que met la lumière à parcourir la distance supplémentaire entre Jupiter et la Terre.
Rømer calcule que la Terre parcourt environ « 210 diamètres terrestres » entre deux émersions successives. En 40 révolutions, cela représente une distance équivalente au diamètre de l’orbite terrestre. Il en déduit que la lumière met environ 22 minutes pour traverser cette distance. Je vous renvoie vers mon livre L’Histoire des Sciences : Voyage de l’Antiquité à nos Jours en Exercices pour le détail des calculs.
Il ne donne pas explicitement une valeur en kilomètres par seconde. Mais les astronomes de l’époque connaissent une estimation de la distance Terre–Soleil (environ 137 millions de kilomètres selon Cassini et Picard). En combinant ces données, on obtient une vitesse de la lumière comprise entre 200 000 et 300 000 km/s. Une valeur étonnamment proche de la valeur moderne : 299 792 km/s.
Or, il est plus aisé d’admettre une propagation instantanée de la lumière — c’est-à-dire de supposer une vitesse infinie — plutôt que d’accepter une vitesse simplement très élevée. Depuis Aristote, la lumière était considérée comme instantanée. Descartes lui-même affirmait qu’elle « agit sans délai ». Par exemple, il soutient que la vitesse de la lumière ne pouvait être finie car, dans le cas contraire, le Soleil, la Terre et la Lune ne seraient pas alignés lors d’une éclipse lunaire. En fait, il suppose une vitesse — démesurément élevée pour l’époque — telle qu’il faudrait une heure à la lumière pour parcourir la distance Terre-Lune ; il en déduit qu’au moment où la lumière franchit cette distance durant une éclipse, la Lune ne serait plus parfaitement alignée avec le Soleil. Christiaan Huygens objecte, dans sa lettre à Roemer du 16 septembre 1677, que si le temps de parcours de la lumière n’est que de deux secondes — conformément aux données de Roemer qu’il a lues — et si, par ailleurs, la distance Terre-Soleil équivaut à 12 000 diamètres terrestres, aucun défaut d’alignement ne serait perceptible. Huygens, comprend immédiatement l’importance de la découverte, il écrit[2] :
« La lumière ne se propage pas instantanément, mais en un temps fini. »
Une méthode encore valable aujourd’hui
350 ans plus tard, des physiciens ont répété l’expérience avec des instruments similaires à ceux de Rømer. Dans De mora luminis, Falchi et ses collègues montrent que la méthode fonctionne toujours[3] :
« Nous confirmons que la méthode de Rømer est valide et donne des valeurs raisonnables pour la vitesse de la lumière, à moins de 10 % de la valeur moderne. »
En utilisant des télescopes de 80 à 115 mm, des horloges précises et des modèles simples, ils obtiennent une valeur proche de 298 000 km/s. Rømer avait vu juste.
Rømer se contente d’annoncer un délai de 22 minutes pour traverser l’orbite terrestre. Il ne calcule pas la vitesse de la lumière en kilomètres par seconde. Plusieurs raisons expliquent cela : les distances astronomiques étaient encore très incertaines et Rømer voulait démontrer la finitude de la vitesse, pas en donner une valeur exacte. De plus, la communauté scientifique restait prudente : Cassini lui-même hésitait à accepter l’idée. Ce n’est qu’en 1729 que James Bradley, en étudiant l’aberration de la lumière, confirme définitivement la découverte de Rømer, et là aussi je vous renvoie vers mon livre pour les précisions techniques.
La mesure de la vitesse de la lumière par Rømer est un bel exemple de la démarche scientifique :
- Observer un phénomène régulier.
- Détecter une anomalie.
- Formuler une hypothèse audacieuse.
- Tester cette hypothèse sur des dizaines de mesures.
- Déduire une propriété fondamentale de la nature.
Rømer n’avait ni lasers, ni horloges atomiques, ni satellites. Il avait un télescope, un carnet, et une idée et cela a suffi pour changer notre compréhension du monde.
[1] Rømer O., Démonstration touchant le mouvement de la lumière, Journal des Sçavans du lundi 7 décembre 1676, p. 233, en ligne sur Gallica : https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k56527v/f234.item
[2] Huygens C., Oeuvres Complètes. Tome VIII. Correspondance 1676-1684, Johannes Bosscha jr. ed. (Martinus Nijhoff, Den Haag, 1899), pp.30-31, lettre n.2103, datée du 16 septembre 1677.
[3] Falchi F. et al, De mora luminis: Roemer’s discovery 350 years later, European Journal of Physics, 47 (2026) 025802 https://doi.org/10.1088/1361-6404/ae3f66
https://arxiv.org/pdf/2607.28512
Image en-avant générée par IA.
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