Chris Oates, physicien à la Division temps et Fréquence du National Institute of Standards and Technology (NIST), explique.

malgré les différences entre la lumière et le son, les deux mêmes méthodes de base ont été utilisées dans la plupart des mesures de leurs vitesses respectives., La première méthode consiste simplement à mesurer le temps qu’il faut à une impulsion de lumière ou de son pour parcourir une distance connue; diviser la distance par le temps de transit donne alors la vitesse. La seconde méthode utilise la nature ondulatoire commune à ces phénomènes: en mesurant à la fois la fréquence (f) et la longueur d’onde () de l’onde de propagation, on peut déduire la vitesse de l’onde de la relation d’onde simple, vitesse = f×. (La fréquence d’une onde est le nombre de crêtes qui passe par seconde, alors que la longueur d’onde est la distance entre les crêtes)., Bien que les deux phénomènes partagent ces approches de mesure, les différences fondamentales entre la lumière et le son ont conduit à des implémentations expérimentales très différentes, ainsi qu’à des développements historiques différents, dans la détermination de leurs vitesses.

dans sa forme la plus simple, le son peut être considéré comme une onde longitudinale constituée de compressions et d’extensions d’un milieu le long de la direction de propagation., Parce que le son nécessite un milieu à travers lequel se propager, la vitesse d’une onde sonore est déterminée par les propriétés du milieu lui-même (telles que la densité, la rigidité et la température). Ces paramètres doivent donc être inclus dans les mesures. En fait, on peut inverser de telles mesures et les utiliser réellement pour déterminer les propriétés thermodynamiques du milieu (le rapport des chaleurs spécifiques, par exemple).,

le premier traité théorique connu sur le son a été fourni par Sir Isaac Newton dans ses Principia, qui prédisait une valeur pour la vitesse du son dans l’air qui diffère d’environ 16 pour cent de la valeur actuellement acceptée. Les premières valeurs expérimentales étaient basées sur des mesures du temps nécessaire au son des coups de canon pour couvrir une distance donnée et étaient bonnes à meilleures que 1 pour cent de la valeur actuellement acceptée de 331.5 m/s à 0 degrés Celsius. Daniel Colladon et Charles-François Sturm ont effectué pour la première fois des mesures similaires dans l’eau Du Lac Léman en 1826. Ils ont trouvé une valeur seulement 0.,2 pour cent en dessous de la valeur actuellement acceptée de ~1 440 m / s à 8 degrés C. Ces mesures ont toutes souffert de variations dans les milieux eux-mêmes sur de longues distances, de sorte que la plupart des déterminations ultérieures ont été effectuées en laboratoire, où les paramètres environnementaux pourraient être mieux contrôlés et une plus grande variété de gaz et de liquides Ces expériences utilisent souvent des tubes de gaz ou de liquide (ou des barres de matériau solide) avec des longueurs calibrées avec précision. On peut alors déduire la vitesse du son à partir d’une mesure du temps qu’une impulsion du son prend pour traverser le tube., Alternativement (et généralement plus précisément), on peut exciter les fréquences de résonance du tube (un peu comme celles d’une flûte) en induisant une vibration à une extrémité avec un haut-parleur, un diapason ou un autre type de transducteur. Étant donné que les longueurs d’onde de résonance correspondantes ont une relation simple avec la longueur du tube, on peut alors déterminer la vitesse du son à partir de la relation d’onde et apporter des corrections à la géométrie du tube pour les comparaisons avec les vitesses dans l’espace libre.

la nature ondulatoire de la lumière est très différente de celle du son., Dans sa forme la plus simple, une onde électromagnétique (comme la lumière, la radio ou les micro-ondes) est transversale, constituée de champs électriques et magnétiques oscillants perpendiculaires à la direction de propagation. De plus, bien que le milieu à travers lequel la lumière voyage affecte sa vitesse (la réduisant par l’indice de réfraction du matériau), la lumière peut également voyager dans le vide, fournissant ainsi un contexte unique pour définir sa vitesse., En fait, la vitesse de la lumière dans le vide, c, est un élément fondamental de la théorie de la relativité D’Einstein, car elle fixe la limite supérieure des vitesses dans l’univers. En conséquence, il apparaît dans un large éventail de formules physiques, dont la plus célèbre est peut-être E=mc2. La vitesse de la lumière peut donc être mesurée de différentes manières, mais en raison de sa valeur extrêmement élevée (~300 000 km/S ou 186 000 mi/s), elle était initialement considérablement plus difficile à mesurer que la vitesse du son., Les premiers efforts tels que la paire D’observateurs de Galileo Assis sur des collines opposées clignotant lanternes avant et en arrière manquaient de la technologie nécessaire pour mesurer avec précision les temps de transit de seulement quelques microsecondes. Remarquablement, les observations astronomiques au 18ème siècle ont conduit à une détermination de la vitesse de la lumière avec une incertitude de seulement 1%. Cependant, de meilleures mesures nécessitaient un environnement de laboratoire., Louis Fizeau et Léon Foucault ont pu effectuer des versions mises à jour de L’expérience Galileos grâce à l’utilisation de combinaisons ingénieuses de miroirs rotatifs (avec une technologie de mesure améliorée) et ils ont fait une série de belles mesures de la vitesse de la lumière. Avec encore d’autres améliorations, Albert A. Michelson a effectué des mesures bonnes à près d’une partie sur dix mille.

la métrologie de la vitesse de la lumière a radicalement changé avec une détermination faite ici au NIST en 1972., Cette mesure était basée sur un laser hélium-néon dont la fréquence était fixée par une boucle de rétroaction pour correspondre à la fréquence correspondant à la division entre deux niveaux d’énergie quantifiés de la molécule de méthane. La fréquence et la longueur d’onde de ce laser hautement stable ont été mesurées avec précision, ce qui a conduit à une réduction de 100 fois l’incertitude pour la valeur de la vitesse de la lumière. Cette mesure et les mesures subséquentes basées sur d’autres normes atomiques/moléculaires étaient limitées non pas par la technique de mesure, mais par des incertitudes dans la définition du compteur lui-même., Parce qu’il était clair que les mesures futures seraient également limitées, la 17ème conférence Gnrale des Poids et Mesures a décidé en 1983 de redéfinir le compteur en termes de vitesse de la lumière. La vitesse de la lumière est ainsi devenue une constante (définie à 299 792 458 m/s), pour ne plus jamais être mesurée., En conséquence, la définition du compteur est directement liée (via la relation c= F×) à celle de la fréquence, qui est de loin la quantité physique la plus mesurée avec précision (actuellement, les meilleures horloges de Fontaine atomique au césium ont une incertitude de fréquence fractionnaire d’environ 1×10-15).