2.1 Préambule
Depuis la lointaine antiquité, les hommes ont tenté de comprendre et d’expliquer les nombreux phénomènes naturels dont ils étaient témoins.
La vision que nous avons de notre environnement dépend évidemment de la source d’éclairage. Ensuite nos yeux, capteurs complexes, envoient à notre cerveau des signaux qui créent une image mentale de notre environnement. Ces phénomènes, qui actuellement nous sont familiers, sont le fruit de plusieurs millénaires de tâtonnements et de recherches.
Préalablement à l’étude des idées sur la lumière qui ont prévalu depuis la civilisation grecque, nous allons, pour mémoire, décrire les principaux phénomènes lumineux.
Pour plus d’explications, vous pouvez vous reporter à l’annexe A « Quelques rappels sur la lumière ».
2.1.1 La diffusion de la lumière.
Pourquoi, la nuit lorsque l’air est humide, la lune semble entourée d’un halo évanescent ? Pourquoi en est-il aussi du soleil lorsqu’il passe derrière un léger nuage ?
Un jour de léger brouillard, à quoi correspondent ces rais de lumières bien visibles en forêt ?
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Figure 2‑1 : Phénomènes de diffusion de la lumière |
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2.1.2 La réflexion de la lumière sur les surfaces lisses
Comment s’explique l’image virtuelle d’une montagne sur l’eau d’un lac ?
Si, depuis la haute antiquité, les miroirs ont permis de se mirer, pourquoi cette surface donne-t-elle un reflet de soi symétrique par rapport au miroir ?
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Figure 2‑2 : Réflexion de la lumière
2.1.3 Réfraction de la lumière
Pourquoi ; un bâton plongé dans l’eau paraît-il brisé ?
Pourquoi, une goutte d’eau renvoie-t-elle un paysage ?
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Figure 2‑3: Phénomènes de réfraction de la lumière
Pourquoi, lorsque la pluie est éclairée, apparaît un arc en ciel ?
À ces questionnements, nous pouvons ajouter :
Qu’est-ce que la couleur ?
Pourquoi ne voit-on pas les couleurs la nuit ?
Ces phénomènes, de diffusion, de réflexion et de réfraction de la lumière, ont mis des siècles pour être élucidé, et nous allons voir, dans le paragraphe suivant, quels ont été dans l’histoire, les diverses représentations qu’en ont eu les hommes.
Si vous désirez plus de précisions vous pouvez aussi vous reporter à l’annexe A « quelques rappels sur la lumière ».
2.1.4 Les interférences de la lumière
Une bulle de savon au soleil offre à notre regard des couleurs changeantes, au fur et à mesure que l’eau s’évapore.
Les teintes de certains papillons ne sont pas dues à des pigments colorés.
Une fine couche d’huile sur de l’eau donne naissance à des marbrures bigarrées.
Toutes ces couleurs sont dues à la nature ondulatoire de la lumière et aux interférences qui sélectionnent une longueur d’onde, faisant apparaitre ainsi la teinte correspondante.
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Figure 2‑4 : Couleurs d’interférence des ailes d’un papillon et d’une bulle de savon
Pour plus de précision, reportez-vous à l’annexe A « quelques rappels sur la lumière » § 4 « Couleurs d’interférence ».
2.2 Vision et lumière dans l’antiquité
Dans l’antiquité, les hommes ont été témoin de ces phénomènes, ils ont tenté de les expliquer, nous allons voir succinctement le long cheminement de la pensée scientifique depuis la civilisation grecque jusqu’à nos jours.
Afin d’appréhender les différentes perceptions qu’ont eues les premiers philosophes de l’antiquité grecque, nous allons brièvement décrire leurs perceptions des phénomènes lumineux en nous appuyant principalement sur des extraits de leurs écrits.
2.2.1 Platon (-427-348 av. J.C)
Pour Platon, la vision a une cohérence avec sa cosmologie, en effet celle-ci repose sur l’existence d’un feu extérieur du monde qui nous entoure. Le feu est l’élément le plus subtil des quatre constituants élémentaires de la nature (terre, eau, air, feu) ; par conséquent, Platon lui confère un rôle actif. Ainsi l’œil devient émetteur d’un feu visuel qui va à la faveur de la lumière du jour à la rencontre du feu céleste.
Citation :
Lors donc que la lumière du jour entoure ce courant de vision, le semblable rencontre le semblable, se fond avec lui en un seul tout, et il se forme, selon l’axe des yeux, un seul corps homogène. De la sorte, où que vienne s’appuyer le feu qui jaillit de l’intérieur des yeux, il rencontre et choque celui qui provient des objets extérieurs.
L’obscurité provient de ce que le feu intérieur n’a plus de semblable avec lequel s’unir :
Mais lorsque le feu extérieur se retire pour la nuit, le feu intérieur se trouve séparé de lui : alors, s’il sort des yeux, il tombe sur un élément différent de lui ; il se modifie et s’éteint, puisqu’il cesse d’être de même nature que l’air environnant, lequel n’a plus de feu. Il cesse alors d’y voir et ainsi amène le sommeil.
Ainsi, pour Platon l’œil n’est pas un simple capteur de lumière, mais participe activement à la formation des images que nous voyons.
2.2.2 Aristote (-384 -322 av. J.C)
Aristote expose sa théorie de la vision dans le traité de l’Âme; il y introduit la notion de milieu de propagation et écarte la notion de rayon visuel, pour lui ce qui est vu correspond à un ébranlement se propageant de l’objet à l’œil. C’est la première fois dans l’histoire que la notion de propagation lumineuse est introduite. Aristote désigne comme diaphane « l’image » sensible que nous percevons. Un diaphane n’est pas visible en soi, il est en puissance la nuit ou en acte le jour.
Citation :
Toute couleur met en mouvement le diaphane en acte et c’est cela qui constitue sa nature. C’est pourquoi la couleur n’est pas visible sans lumière et c’est seulement dans la lumière que l’on voit la couleur de chaque objet…
Mais en réalité, la couleur met en mouvement le diaphane, l’air par exemple, et celui-ci meut à son tour l’organe sensoriel avec lequel il est en contact.
Par des arguments de bon sens, Aristote rejette la théorie du rayon visuel et que l’œil soit actif dans la vision.
Citation :
Il est complètement absurde de soutenir que l’œil voit au moyen de quelque chose qui en sort et que le rayon visuel s’étend jusqu’aux astres, ou que, après avoir parcouru une certaine distance, il fusionne, comme des auteurs le prétendent [Empédocle et Platon], avec quelque autre chose qui sort de l’objet.
2.2.3 Euclide (vers -300 a.v J.C)
Pour Platon et Aristote, les explications sur la nature de la lumière sont avant tout philosophiques et conceptuelles; leurs théories ne permettent pas d’avoir un modèle descriptif des phénomènes optiques. A contrario, chez Euclide il y a le souci de rendre compte des phénomènes optiques par une méthode géométrique.
Les ouvrages principaux concernant l’optique et attribués à Euclide sont Optique et Catoptrique.
La multiplicité des traductions et probablement des ajouts ne permettent pas toujours d’en certifier l’originalité.
Au 4ème siècle apr. J.C, les cours de Théon d’Alexandrie ont été consignés dans « La recension de l’optique », qui pourraient être les conceptions posées par Euclide.
Euclide géométrise l’optique, la lumière se propage suivant des lignes droites.
Citation (Théon d’Alexandrie) :
Toute lumière se propage suivant des lignes droites, et il en relevait comme preuve la plus importante les ombres projetées par les corps, ainsi que les traits lumineux introduits par les fenêtres et par les ouvertures ; car toutes ces choses n’auraient pas lieu, comme on constate qu’elles se produisent maintenant, si les rayons du soleil ne se propageaient pas suivant des lignes droites.
Il définit aussi un cône visuel issu de l’œil et permettant de percevoir les objets. Il se rapproche par là, de la thèse des pythagoriciens (-500 a.v J.C).
Citation :
Les grandeurs sur lesquelles tombent les rayons visuels sont vues ; tandis que celles sur lesquelles les rayons visuels ne tombent pas ne sont pas vues.
Euclide pose les lois de la réflexion sur un plan, il les généralise aux miroirs concaves et convexes.
Euclide, s’il a établi les bases de l’optique géométrique, par contre, les lois de la réfraction resteront, mystérieuses encore, de nombreux siècles.
2.2.4 Lucrèce (-98 -55 a.v. J.C)
Ce philosophe latin, reprend les théories atomistes de Démocrite (-460 -370 av. J.C).
Un objet est constitué d’atomes qui se détachent de sa surface dans l’espace jusqu’à l’œil de l’observateur. Ainsi pour Lucrèce les objets génèrent des images qu’il appelle simulacres et qui se déplacent dans l’air.
Citation :
De tous les objets il existe ce que nous appelons les simulacres, sorte de membranes légères détachées de la surface des corps, et qui voltigent en tous sens parmi les airs.
Je dis donc que des figures et des images subtiles sont émises par les objets, et jaillissent de leur surface : ces images, donnons-leur par à peu près le nom de membranes ou d’écorces, puisque chacune d’elle a la forme et l’aspect de l’objet, quel qu’il soit, dont elle émane pour errer dans l’espace[1].
Au même titre que des serpents laissent leur peau, Lucrèce pense que les objets, les corps émettent des simulacres instantanément. S’ils rencontrent un obstacle à leur propagation, ils se reflètent, s’affectent ou disparaissent.
Pour Lucrèce, ces simulacres ont des vitesses plus rapides que la lumière venant du soleil. Pour les couleurs, la théorie atomiste est difficile à analyser, car dans la théorie atomiste de Démocrite les atomes n’ont pas de couleur.
2.2.5 Héron d’Alexandrie 1er siècle apr. J.-C.
Héron d’Alexandrie, reprends la théorie du rayon visuel d’Euclide et améliore l’optique géométrique. Il montre notamment l’égalité des angles de réflexion sur une surface polie.
Citation :
Héron d’Alexandrie, a démontré dans son livre sur les miroirs, que les droites brisées suivant des angles égaux sont les plus courtes de toutes celles qu’on peut mener d’un point à un autre en les faisant se briser sur la même surface sous des angles divers.
2.2.6 Ptolémée (90 168 apr. J.C)
Grand Astronome, il cartographie le ciel, il met notamment en évidence la précession des équinoxes. Son modèle géocentrique[2] basé sur la théorie des épicycles fera autorité jusqu’à la renaissance.
Il faudra attendre Nicolas Copernic qui publiera sur son lit de mort en 1543 « De revolutionibus orbium coelestium »[3] l’hypothèse héliocentrique[4].
En optique, il fut le premier à mener des expérimentations pour mesurer la réfraction.
2.2.7 Galien (129 201) 2ème Siècle apr. J.C
C’est un Romain, père de la médecine, il met en évidence le rôle du nerf optique dans la vision.
Citation :
J’ai dit que l’humeur cristalline elle-même est l’instrument principal de la vision, un fait clairement établi par ce que les médecins nomment cataracte, qui se situe entre le cristallin et la cornée et qui interfère avec la vision.
2.2.8 Conclusion
Les philosophes grecs, malgré la diversité des approches proposées, ont tenté d’avoir un discours rationnel sur la lumière et la vision ; comme ils ignoraient l’effet de lentille du cristallin de l’œil, il n’a pas été facile pour eux de dissocier les propriétés de la lumière sur les objets (réflexion, diffusion, réfraction, couleur) des propriétés optiques et neuronales de l’œil.
Dans les approches présentées, la pyramide visuelle des atomistes, le feu extérieur des platoniciens, le rayon visuel, l’existence de simulacres visuels, la notion de propagation ont été les étapes conceptuelles qui ont permis aux générations futures de construire la physique d’aujourd’hui. Cela fut long, car une période de décadence et d’effondrement de la civilisation fit une parenthèse d’environ mille ans.
En effet, la civilisation romaine déclina à partir du 3ème siècle et s’effondra en occident au 5ème siècle et l’Europe prit un autre équilibre politique et culturel qui évolua durant tout le Moyen-âge.
À la naissance de l’Islam, au Moyen-Orient en 632 le centre de gravité scientifique et culturel s’est déplacé et la civilisation islamique nous a légué un héritage artistique, architectural et scientifique majeur. Ensuite à partir du 13ème siècle la civilisation islamique n’eut plus son dynamisme de l’époque de la conquête et c’est l’occident, à la renaissance qui prit le relais.
Nous allons dans le paragraphe suivant évoquer les apports à l’optique de la science islamique.
2.3 La lumière dans la science islamique.
2.3.1 Préambule
L’expansion de la civilisation islamique s’étend du bassin méditerranéen jusqu’en orient. Les connaissances des pays assujettis imprègnent la civilisation islamique émergente. Ainsi sont traduits en arabe des textes grecs et notamment Euclide.
Les apports à l’optique de la civilisation islamique sont encore aujourd’hui mal connus ; nous noterons cependant l’apport de trois savants.
2.3.2 Al-Kindi (801 873 ap. J.C)
Il reprend la philosophie aristotélicienne, traduit les travaux d’Euclide et défend la théorie des rayons visuels. Il généralise la notion de rayon lumineux en proposant la notion de faisceaux lumineux.
2.3.3 Ibn Sahl (940 1000 ap. J.C)
Mathématicien persan, il travaille notamment sur les miroirs ardents d’Archimède, qui selon la légende avaient incendié des bateaux à Syracuse. S’appuyant sur les résultats mathématiques des coniques[5], il recherche les formes des miroirs concaves assurant une focalisation de flux lumineux. Il fait des études sur la réfraction des milieux transparents et sur lentilles plan-convexe et biconvexe. Ces problèmes seront repris plus de 600 ans plus tard par René Descartes (1596 1650).
2.3.4 Ibn Al-Haïtham (965 1039 ap. J.C)
Ibn Al-Haïtham dit Alhasen fut un des premiers scientifiques à avoir une approche de l’optique soutenue par des représentations mathématiques. Son approche expérimentale l’a conduit à démontrer la propagation rectiligne de la lumière, cette formulation rentrait en contradiction avec les deux principaux courants de pensée issus des Grecs, celui qui considérait que la lumière va des objets à l’œil sous forme de simulacres et l’autre qui postulait qu’il y avait un rayon visuel qui partait de l’œil.
Il invente la chambre noire pour étudier les trajets des rayons lumineux.
Dans son traité sur la réfraction, il fait l’hypothèse que la vitesse de la lumière est finie et qu’elle change avec le milieu de propagation. Pour lui elle est ralentie dans un milieu plus dense. Il faudra attendre de 19ème siècle pour que cette hypothèse soit validée expérimentalement (cf. annexe B « mesures de la vitesse de la lumière »).
La couleur est pour Alhazen une forme de la lumière et ne provient pas d’un phénomène intervenant entre l’œil et l’objet.
Citation :
Il suit de cette expérience, que la couleur rayonne d’un corps coloré éclairé et s’étend dans toutes les directions comme le fait la lumière de ce corps, les deux allant toujours de pair ; que la forme de la couleur est mêlée à celle de la lumière ; et que la forme de la couleur en expansion avec la forme de la lumière est plus faible que la couleur elle-même, qu’elle s’amenuise au fur et à mesure de son éloignement du corps coloré – comme il en est de la lumière [6].
Il met en évidence, et cela est remarquable pour l’époque, le rôle de l’œil comme collecteur d’image. Comme les mécanismes de réfraction dans le cristallin ne sont pas encore élucidés, pour expliquer le fonctionnement de l’œil il privilégie les rayons perpendiculaires.
Citation :
Ainsi n’est-il pas impossible que l’œil, dans sa réception des effets des lumières et des couleurs, ne soit pas particulièrement lié aux seules lignes qui se rencontrent en son centre et sont perpendiculaires à sa surface 6.
Al-Haïtham peut ainsi rendre compte de la formation d’une image dans l’oeil.
L’ensemble de ses travaux apporte une contribution majeure à l’optique et sera repris à la renaissance.
2.4 Le réveil de l’occident, la fin du moyen âge, la renaissance
2.4.1 Préambule
Au 13ème siècle, les théories aristotéliciennes vont être débattues au sein des universités déclenchant l’opposition de certains ecclésiastiques qui trouvent certaines assertions en rupture avec le dogme chrétien. En 1277, quiconque professe les théories d’Aristote encourt l’excommunication. Cependant, certains religieux mènent des réflexions novatrices.
2.4.2 Roger Bacon (1215 1292)
Il est considéré comme le fondateur de la perspective médiévale ; il enseigne la physique d’Aristote et s’inspire des quelques travaux disponibles de Al-Haitmam (Alhasen), il pose ainsi les bases de l’optique géométrique médiévale et les principes de divers dispositifs optiques faisant appel à des miroirs et des lentilles.
Citation :
Les miracles réalisables par la réfraction sont encore plus grands, car il apparaît clairement des règles précédentes que ce qui est très grand peut être rendu très petit et vice versa, et que les objets éloignés peuvent être rapprochés et les choses proches éloignées. Car nous pouvons donner une forme telle aux matières transparentes et les disposer d’une manière telle par rapport à l’œil et aux objets visibles, que les rayons seront réfractés et déviés dans la direction que nous souhaitons, nous permettant ainsi de voir les choses proches ou loin, selon l’aspect voulu.
Il faudra attendre plusieurs siècles avant que la technologie évolue et que les instruments d’optique répondant aux descriptions de Roger Bacon.
Depuis le 11ème siècle, il est vraisemblable que des lentilles optiques soient apparues sans qu’un inventeur particulier en ait laissé une trace. Il est probable que cette invention soit survenue parmi les verriers de la région vénitienne.
Nota :
Ce n’est qu’en 1572, soit près de trois siècles après la mort de Roger Bacon, que l’œuvre intégrale d’Al-Haïtham soit enfin diffusée et accessible en occident.
2.4.3 Galilée (1564 1642)
Ce très célèbre savant de la Renaissance a posé les bases de la cinématique ; il a en outre, par ses mesures astronomiques avec sa lunette optique apporté des arguments majeurs confortant le modèle héliocentrique proposé par Nicolas Copernic.
Contrairement à ce que Galilée aurait voulu faire croire, il n’est pas l’inventeur de la lunette ; déjà Della Porta (1535-1615) donne quelques indications sur l’association d’une lentille convexe avec une lentille concave. Bien que l’origine de la lunette soit assez floue, sa commercialisation avait préalablement commencé aux Pays-Bas.
Cependant Galilée donne à la lunette ses lettres de noblesse et il l’améliore notablement, il faut cependant modérer son propos lorsqu’il déclare en préambule du Messager des étoiles en 1610.
Citation relatives à ses observations astronomiques :
Tous ces phénomènes, une Lunette que j’ai conçue sous l’illumination de la grâce divine m’a permis, il y a peu de jours, de les découvrir et de les observer.
Au départ, avec un grossissement de huit, il obtient ensuite un grossissement de vingt.
Il a apporté à l’optique une amélioration considérable de la lunette, mais n’a jamais expliqué son fonctionnement.
Il faut noter que Galilée est le premier savant qui fit une tentative de mesure de la vitesse de la lumière avec des lanternes éloignées de 1800 m et des clepsydres pour mesurer le temps. Les résultats ont été évidemment négatifs et Galilée, à juste titre, conclu à une vitesse de la lumière trop élevée pour être ainsi mesurée, (cf. annexe B « mesures de la vitesse de la lumière »).
2.4.4 Johannes Kepler (1571 1630)
Johannes Kepler est surtout connu comme celui qui révolutionna l’astronomie et montra que les trajectoires des planètes suivaient des ellipses dont le soleil était un des foyers.
En optique, il propose une lunette à deux lentilles convergentes, il poursuit les travaux d’Al-Haïtham et élucide le fonctionnement de la chambre noire et donne sa définition de la lumière et des rayons lumineux où se mêlent définitions mathématiques et inspirations métaphysiques. Malheureusement, il ne parvient pas à une formulation mathématique de la réfraction.
Cependant, Johannes Kepler explique clairement le rôle des lentilles convexes et concaves dans l’amélioration de la presbytie et de la myopie.
2.5 De la renaissance au Siècle des lumières
2.5.1 René Descartes (1596-1650)
Avec René Descartes, nous avons un précurseur du Siècle des Lumières. Il s’intéresse à l’optique vers les années 1620. Il considère, un moment, la vitesse de la lumière infinie, par contre lorsqu’il étudie la réfraction il considère un changement de vitesse de la lumière. En effet, il tente d’expliquer la réfraction par un raisonnement mécanique stipulant que la composante normale à l’interface eau-air, par exemple, est modifiée, alors que la composante tangentielle n’est pas altérée. Il suppose que la vitesse de la lumière est plus grande dans le milieu le plus réfringent. Cependant, malgré cette mauvaise interprétation de la réfraction, il en établit la formulation algébrique en juin 1632 lors d’une lettre à Mersenne [7].
et 
représentent les indices de
réfraction, 
et 
les
angles d’incidences correspondants (cf. Annexe A §4).
Il est à noter que cette paternité est controversée, en effet, Willebrod Snellius (Leyde 1591-1626) a démontré une loi des sinus sous une forme différente, mais équivalente.
2.5.2 Robert Hooke (1635 1703)
Robert Hooke a mis au point le premier microscope et mis en évidence les interférences de la lumière dans les fines lames.
En partant de fines plaques de mica, il observe que différentes couleurs apparaissent selon l’épaisseur. Il fait le même type d’observations à l’interface de lames de verre.
Citation :
Prenez, deux petits fragments de verres de miroirs polis, chacun de la taille d’une pièce d’un shilling, qu’ils soient secs, et pressez les très fort l’un contre l’autre entre vos pouces et vos index, et vous devriez observer, lorsqu’ils sont très serrés, que des lignes colorées, ou irisations, apparaissent pratiquement de la même manière qu’avec le mica; et vous pourrez facilement modifier l’une quelconque des couleurs en n’importe quel endroit, en pressant les lamelles plus fortement l’une contre l’autre, ou en relâchant cette pression.
Ce phénomène dû à l’aspect ondulatoire de la lumière ne sera expliqué que bien plus tard.
2.5.3 Christian Huygens (1629 1695)
La théorie ondulatoire de la lumière proposée par Huygens, pour expliquer la réflexion et la réfraction, fut éclipsée par la vision d’Isaac Newton qui défendait une théorie corpusculaire de la lumière.
Pour asseoir sa théorie ondulatoire, Christian Huygens considère que la lumière ne se déplace pas dans le vide, mais dans un milieu qu’il nomme éther.
Pour expliquer le changement de direction d’un rayon lumineux, lorsqu’il atteint la surface de l’eau ou du verre, deux théories vont s’affronter jusqu’au 19ème siècle.
La théorie corpusculaire d’Isaac Newton qui considère qu’il y a une accélération de la composante normale (perpendiculaire) de la vitesse de la lumière.
La théorie ondulatoire de Christian Huygens pour laquelle il y a une diminution de la vitesse de la lumière dans le milieu le plus réfringent, ici, l’eau ou l’air.
La notion d’éther, comme milieu de propagation de la lumière, fera aussi débat jusqu’à l’orée de 20ème siècle.
2.5.4 Isaac Newton (1643 1727)
Géant de la physique, père de la gravitation universelle, Isaac Newton a fait avancer les connaissances dans de nombreux domaines de la physique et des mathématiques.
Il a, notamment avec Leibniz, été à l’initiative du calcul infinitésimal qui conduira au calcul intégral.
Nous allons ici nous intéresser uniquement aux apports en optique d’Isaac Newton.
Isaac Newton publie en 1687 Les Principes Mathématiques de la Philosophie Naturelle, les mécanismes de la réflexion et de la réfraction basée sur une vision corpusculaire de la lumière.
En opposition avec Christian Huygens, Isaac Newton considère que la vitesse de la lumière augmente dans le milieu le plus réfringent.
Citation :
Il est aisé de voir comment l’attraction donne le dénouement de cette difficulté ; car ce principe montre que le mouvement progressif de la lumière n’est pas seulement moins retardé dans le milieu le plus dense, comme le voulait Descartes, mais qu’il est réellement accéléré, et cela par l’attraction du milieu plus dense lorsqu’il pénètre. Ce n’est pas seulement lorsque le rayon a atteint le milieu réfringent et au point d’incidence qu’il agit sur lui ; l’incurvation du rayon commence un peu auparavant, et elle augmente à mesure qu’il s’approche du milieu réfringent, et même dans l’intérieur de ce milieu jusqu’à une certaine profondeur.
Isaac Newton en optique a eu le grand mérite d’étudier les couleurs, son célèbre ‘disque de Newton’ montre que l’impression visuelle d’un disque portant les couleurs de l’arc-en-ciel est le blanc.
Il établit que les différentes couleurs du spectre de la lumière blanche se réfractent différemment dans un prisme. Il démontre ainsi que chaque couleur possède un indice de réfraction qui lui est propre. Le violet étant le plus dévié en passant par le vert jusqu’au rouge.
Citation :
Les rayons qui diffèrent en couleur diffèrent aussi en réfrangibilité. Livre I. Première proposition. Théorème I.
La lumière du soleil est composée de rayons différemment réfrangibles43. Livre I. Première proposition. Théorème II.
Il poursuit ses expérimentations en utilisant un second prisme qui recompose les couleurs du premier prisme pour redonner de la lumière blanche, montrant ainsi que la lumière est composée de tout le spectre de l’arc en ciel.
C’est la première fois dans l’histoire qu’une explication rationnelle est donnée sur la nature des couleurs.
Isaac Newton, reprends les expériences d’interférence de la lumière avec un dispositif permettant de l’assimiler à une lentille posé sur un plan. Il met en évidence que l’on qualifie aujourd’hui comme ‘anneau de Newton’.
Citation :
C’est une chose connue, que les corps transparents fort minces, tels que le verre, l’eau, l’air, etc. …, soufflés en bulles ou réduits en lamelles, produisent, suivant leur ténuité, diverses couleurs; alors qu’ils paraissent acolores lorsqu’ils sont plus épais. Livre second. Première partie.
Nota :
Ces phénomènes d’interférences seront expliqués plus tard lorsque l’on considèrera l’aspect ondulatoire de la lumière, en effet, selon la phase des ondes interagissant, il y a extinction ou renforcement de l’intensité lumineuse.
2.5.5 Olaf Römer (1644 1710)
Avec Olaf Römer, c’est la première tentative fructueuse de la mesure de la vitesse de la lumière, pour y parvenir il s’intéressera à Io, satellite de Jupiter découvert par Galilée.
Il mesure précisément les dates d’émersion et d’immersion d’un satellite de Jupiter, ce qui le conduit à considérer la vitesse de la lumière comme finie, il établit ainsi la première estimation de la vitesse de la lumière à 230 000 km/s ; (cf. annexe B « Mesures de la vitesse de la lumière » §2 « L’expérience de Römer »).
2.5.6 Leonhard Euler 1707 1783
Léonard Euler, mathématicien physicien suisse, est un des pères du calcul infinitésimal, il a travaillé en mécanique avec Bernouilli et en astronomie avec les théories d’Isaac Newton.
En optique, Leonhard Euler dans la Nova Theoria Lucis et Colorum en 1746, s’oppose à la théorie corpusculaire d’Isaac Newton et comme Christian Huygens considère la lumière comme une vibration se déplaçant dans l’éther.
Il estime que les couleurs correspondent, tels les sons à des vibrations différentes, la plus haute pour le violet et la plus basse pour le rouge.
2.5.7 Conclusion
En ce milieu du 18ème siècle, les natures de la lumière ‘corpusculaire’ ou ‘ondulatoire’ coexistent sans pouvoir se départager, comme le fait remarquer d’Alembert dans l’Encyclopédie :
Citations :
Les deux opinions, il faut l’avouer, ne sont démontrées ni l’une ni l’autre ; et la plus sage réponse à la question de la matière & de la propagation de la lumière serait peut-être de dire que nous n’en savons rien.
2.6 L’époque moderne
2.6.1 Thomas Young (1773 1829).
Depuis les travaux d’Isaac Newton, pratiquement un siècle s’est écoulé avant que Thomas Young explique les phénomènes d’interférence lumineuse. Par analogie aux études qu’il avait faites sur le son, il montre que dans des conditions précises deux lumières peuvent donner l’obscurité. Thomas Young énonce le principe d’interférence de la lumière en 1801.
Afin de ménager les partisans d’Isaac Newton et de la théorie corpusculaire de la lumière, il s’y réfère.
Citation :
Un examen plus attentif des couleurs des lames minces, comme elles sont décrites dans l’optique de Newton, a converti mon attirance pour la théorie ondulatoire de la lumière en une conviction très forte de sa validité et de sa généralité. […] Une étude plus complète des différents écrits de Newton m’a montré qu’il fut en fait le précurseur d’une théorie telle que celle que je vais m’efforcer de développer.
Les points clefs des propositions de Thomas Young sont les suivants:
Citation :
Un éther luminifère remplit l’univers, hautement élastique et ténu.
Des vibrations sont excitées dans cet éther à chaque fois qu’un corps devient lumineux.
La sensation qu’il y a des couleurs différentes dépend des différences de fréquences dans les vibrations que la lumière engendre sur la rétine.
Toutes les impulsions se propagent avec une même célérité dans un milieu élastique homogène.
L’ondulation résultant de la vibration d’une particule unique doit s’étendre dans un milieu homogène sous la forme d’une sphère.
Il se distingue de Christian Huygens, car pour Thomas Young les vibrations sont périodiques et ne sont point des impulsions lumineuses.
Les couleurs qui apparaissent dans les bulles de savon, les anneaux de Newton, les arcs-en-ciel s’expliquent par les interférences des différentes longueurs d’onde des couleurs de la lumière blanche, c’est une avancée majeure qui permettra plus tard la spectrographie.
Ces travaux n’ont pas eu tout de suite l’écho qu’ils méritaient et il faudra attendre une dizaine d’années pour qu’il prenne un nouvel essor en France avec Augustin-Jean Fresnel.
2.6.2 Augustin-Jean Fresnel (1788 1827)
Il conforte le modèle ondulatoire de la lumière pour les interférences et explique les phénomènes de réflexion et de réfraction dans le cadre de cette théorie.
Citation :
Je tire de cette théorie une conséquence absolument opposée à Newton : c’est que la marche de la lumière est plus lente dans le verre que dans l’air, suivant le rapport du sinus de réfraction à celui d’incidence ; car il faut admettre que chaque vibration de la lumière dans le verre s’accomplit dans le même intervalle de temps que chaque vibration dans l’air, autrement il y aurait discontinuité ou discordance entre les ondulations qui précèderaient et celles dont elles seraient suivies.
Comme nous l’avons déjà évoqué, les théories corpusculaire et ondulatoire s’opposent notamment sur la vitesse de la lumière dans le milieu le plus réfringent. Pour Newton sa composante normale doit être plus rapide, pour les tenants de la théorie ondulatoire la vitesse de la lumière doit être plus faible[8].
2.6.3 Hippolyte Fizeau (1819 1896) et Léon Foucault (1819 1868)
Contemporains, ils ont été les premiers à faire une photographie du soleil.
Après les premières estimations de la vitesse de la lumière, Hippolyte Fizeau et Léon Foucault menèrent indépendamment deux expérimentations historiques sur la mesure de la lumière.
Hippolyte Fizeau utilisa l’occultation d’un faisceau lumineux par une roue dentée et Léon Foucault un miroir tournant, (cf. annexe B « mesures de la vitesse de la lumière » §3 et §4).
Ils obtinrent respectivement les vitesses de 315 000 km/s et 298 000 km/s.
Léon Foucault à la suite de ses mesures de la vitesse dans l’air montre que la vitesse de la lumière est plus lente dans l’eau, ce qui confirme l’hypothèse ondulatoire de la lumière, aux dépens de la théorie corpusculaire d’Isaac Newton.
À cette époque, les scientifiques considéraient que la lumière était une vibration dans un milieu élastique qu’ils avaient dénommé l’éther.
2.6.4 James Clerck Maxwell (1831 1879).
James Clerck Maxwell est à la lumière, au magnétisme et à l’électricité, ce que fut Isaac Newton à la gravitation.
Il fait une synthèse magistrale entre les phénomènes électromagnétiques et l’optique.
Il a unifié en un seul ensemble d’équations l’électricité, le magnétisme et l’induction et montre que la lumière est une onde électromagnétique.
James Clerck Maxwell restera attaché à l’existence de l’éther comme milieu de transmission des ondes électromagnétiques.
Citation :
Il semble qu’ainsi, certains phénomènes en électricité et en magnétisme conduisent à la même conclusion qu’en optique, à savoir qu’il existe un milieu éthéré qui pénètre tous les corps, et qui est seulement modifié en degré par leur présence ; que les parties de ce corps peuvent être mises en mouvement par des courants électriques ou des aimants ; que ce mouvement est transmis d’une partie du milieu à une autre par des forces naissant des liaisons entre ces parties ; que sous l’action de ces forces apparaît une certaine tension dépendant de l’élasticité de ces connexions ; et qu’à la suite, l’énergie existe sous deux formes différentes dans le milieu, l’une d’elles étant l’énergie véritable du mouvement de ses parties, et l’autre l’énergie potentielle emmagasinée dans les liaisons en vertu de leur élasticité [9].
La présence d’un éther comme milieu de transmission existe dans l’optique ondulatoire d’Augustin-Jean Fresnel et la théorie électromagnétique de James Clerck Maxwell.
La terre se déplaçant par rapport à l’éther, il doit être possible de mettre en évidence ce mouvement, c’est à cette détermination que s’attachera le physicien américain Albert Abraham Michelson.
2.6.5 Albert Abraham Michelson (1852 1931)
Albert Abraham Michelson, à l’instar d’Hippolyte Fizeau et Léon Foucault, améliora grandement la mesure de la vitesse de la lumière, il le fit avec un miroir tournant et un réflecteur distant de 35 km de la source. La précision de la mesure fut de quelques km/s, cf. annexe B « mesures de la vitesse de la lumière §5 ».
Il cherche un moyen de tester l’hypothèse de
Augustin-Jean Fresnel qui considère que la terre se déplace par rapport à l’éther. La terre autour du soleil à 30 km/s, la vitesse de la lumière est environ de 300 000 km/s, il faut une expérience de grande précision pour apprécier un écart de vitesse d’un dix-millionième !
Albert Abraham Michelson construit un dispositif expérimental de grande sensibilité basé sur les interférences lumineuses. Cet instrument porte depuis le nom d’interféromètre de Michelson ; (cf. annexe B « Mesures de la vitesse de la lumière §6 Interféromètre de Michelson »).
La vitesse de la terre par rapport à la vitesse de la lumière doit conduire à un décalage des trajets lumineux provoquant une interférence de l’ordre d’une demi-longueur d’onde de la lumière.
Albert Abraham Michelson entreprend de multiples expériences et dans toutes, il n’y a aucune apparition de franges montrant une variation de la vitesse de la lumière due au déplacement de l’observateur.
Citation
L’interprétation de ces résultats est qu’il n’y a pas de déplacement des franges d’interférence. Le résultat qui suit l’hypothèse d’un éther stationnaire est donc incorrect, et la conclusion qui s’ensuit nécessairement est que cette hypothèse est fausse. Cette conclusion contredit directement l’explication du phénomène de l’aberration qui a été jusqu’ici généralement admise, et qui présuppose que la Terre se déplace à travers l’éther, ce dernier restant au repos.
Ces résultats négatifs remettent en cause la loi d’additivité de vitesse et vont bouleverser la physique et donner naissance aux théories de la relativité restreinte.
2.6.6 Antoon Lorentz (1853 1928)
Pour expliquer l’expérience de Albert Abraham Michelson, Antoon Lorentz, physicien hollandais, postule l’existence d’une contraction des longueurs dans le sens du mouvement.
Il formalise cette idée dans sa théorie électrodynamique en 1904 [10]. Il propose un jeu de transformations dit « transformations de Lorentz » qui affectent la dimension et une variable du temps t’ appelé temps local, mais il ne s’agit pas pour lui du véritable temps et ne lui attache pas une signification physique.
Nous sentons ici les prémisses du bouleversement à venir avec Albert Einstein.
2.6.7 Henri Poincaré (1854 1912)
Henri Poincaré montre que les transformations de Lorentz sont reliées à son principe de relativité qui lui permet de déterminer les lois de composition des vitesses, par contre il accorde une signification physique au temps local de Lorentz. Il introduit, comme hypothèse supplémentaire, la contraction des longueurs.
Citation :
Il faut des hypothèses complémentaires ; il faut admettre que les corps en mouvement subissent une contraction uniforme dans le sens du mouvement [11].
Henri Poincaré est proche de faire table rase de la physique classique et se trouve proche de ce que posera Albert Einstein.
Pour lui, la vitesse de la lumière devient une constante qui structure et détermine notre univers, il entrevoit une nouvelle physique.
Citation :
Peut-être aussi devrons-nous construire toute une mécanique nouvelle que nous ne faisons qu’entrevoir, où, l’inertie croissant avec la vitesse, la vitesse de la lumière deviendrait une limite infranchissable. La mécanique vulgaire, plus simple, resterait, une première approximation puisqu’elle serait vraie pour les vitesses qui ne seraient pas très grandes, de sorte qu’on retrouverait encore l’ancienne dynamique sous la nouvelle [12].
2.6.8 Albert Einstein (1879 1955)
Albert Einstein, âgé de 26 ans, est un modeste employé au bureau des brevets à Berne, inconnu de communauté scientifique, il soumet en 1905, quelques semaines avant l’article d’Henri Poincaré un article considéré comme fondateur de la relativité restreinte [13]. Il ne fait aucune référence aux travaux de Antoon Lorentz et Henri Poincaré. Contrairement à celui-ci, Albert Einstein attribue un caractère cinématique à la contraction des longueurs et remet en cause la nature du temps.
La lumière a joué pour lui un rôle essentiel dans
l’élaboration de la théorie de la relativité, c’est elle qui est notamment à
l’origine de l’équivalente masse énergie de sa célèbre relation
.
Contrairement à Henri Poincaré, Albert Einstein traite les électrons et les photons comme des objets ponctuels et les considère, pour interpréter les transformations de Lorentz, dans un cadre cinématique avec des mesures du temps de l’espace.
La théorie développée par Albert Einstein en 1905 porte le nom de relativité restreinte, car elle s’attache à la description des phénomènes physiques liés à des référentiels inertiels.
Citation
Les considérations qui suivent s’appuient sur le principe de relativité et sur le principe de la constance de la vitesse de la lumière, deux principes que nous définissons comme suit :
1. Les lois selon lesquelles les états des systèmes physiques évoluent sont indépendantes du fait que ces évolutions soient rapportées à l’un ou l’autre de deux systèmes de coordonnées qui se trouvent être en mouvement de translation uniforme l’un relativement à l’autre.
2. Tout rayon lumineux se déplace dans le système « au repos » avec la vitesse bien déterminée V, indépendamment du fait que ce rayon soit émis par un corps au repos ou en mouvement. Pour cette vitesse, on a : Vitesse = trajet de la lumière/durée du temps,
L’expression « durée dans le temps » doit être entendue au sens de la définition du paragraphe 1 [14].
Max Planck (cf. § suivant), pour modéliser l’émission des corps noirs, introduit la quantification des états de l’énergie. Albert Einstein considère cette approche comme novatrice.
Lorsqu’Albert Einstein s’intéresse à l’effet photo-électrique, il ne peut interpréter les résultats par la théorie ondulatoire de la lumière ; Albert Einstein, postule que le rayonnement des ondes électromagnétiques est constitué de photons.
Pour lui, ces photons représentent des quanta qui prennent un nombre fini d’états d’énergie.
Le débat de la nature corpusculaire et ondulatoire, que l’on croyait terminé, resurgit donc avec l’introduction de cette nouvelle particule, le photon.
Citation
La théorie ondulatoire de la lumière opérant avec des fonctions d’espace continues s’est avérée parfaite pour ce qui est de la description des phénomènes optiques et il se peut qu’elle ne soit jamais remplacée par aucune autre théorie.
Il ne faut cependant pas perdre de vue que les observations optiques portent sur des valeurs moyennes dans le temps et pas sur des valeurs instantanées ; il n’est pas inconcevable, bien que les théories de la diffraction, de la réflexion, de la réfraction, etc., soient entièrement confirmées par l’expérience, que la théorie de la lumière qui opère sur des fonctions continues de l’espace puisse conduire à des contradictions avec l’expérience lorsqu’elle est appliquée aux phénomènes de production et de transformation de la lumière.
De fait, il me semble que les observations portant sur le « rayonnement noir[15] », la photoluminescence, la production de rayons cathodiques par la lumière ultraviolette, et d’autres classes de phénomènes concernant la production et la transformation de la lumière apparaissent comme plus compréhensibles si l’on admet que l’énergie de la lumière est distribuée de façon discontinue dans l’espace. Selon l’hypothèse envisagée ici, lors de la propagation d’un rayonnement lumineux émis par une source ponctuelle, l’énergie n’est pas distribuée de façon continue sur des espaces de plus en plus grands, mais est constituée d’un nombre fini de quanta d’énergie localisés en des points de l’espace, chacun se déplaçant sans se diviser et ne pouvant être absorbé ou produit que tout d’un bloc.
2.6.9 Max Planck (1858 1947)
À la suite de nouvelles mesures dans l’infrarouge de l’émission d’un corps noir, Max Planck, s’appuyant sur les travaux de Ludwig Boltzmann[16], est conduit à considérer les états d’énergie de l’électron comme ne pouvant prendre qu’un nombre discret d’états d’énergie.
Le travail qu’il a mené en thermodynamique et le rayonnement des corps noirs l’ont conduit en 1899 à introduire les constantes de Max Planck et de Ludwig Boltzmann.
En 1900, il présente la théorie des quantas et montre qu’il
y a proportionnalité entre l’énergie absorbée ou fournie par l’électron et la
fréquence de l’onde électromagnétique émise, cela aboutit à la célèbre relation
suivante : 
Avec : 
variation
d’énergie en Joules ; h : constante de Planck, 
fréquence de l’onde
électromagnétique en Hertz.
Max Planck a du mal à croire à la réalité physique d’une matière ayant des états d’énergies discontinues, laissant Albert Einstein la consolider.
Nota :
Les mécanismes ondulatoires et corpusculaires seront brillamment réunis par un physicien américain vulgarisateur de génie, Richard Feynman, dans la seconde moitié du 20ème siècle, sous l’égide de la théorie de l’électrodynamique quantique. Cette théorie permet d’appréhender tous les phénomènes intéressant la lumière et la matière.
C’est la fin de l’aventure entre l’opposition des natures ondulatoires et corpusculaires de la lumière.
2.7 Conclusion
Il a fallu aux hommes plus de deux mille ans pour comprendre la nature de la lumière. À partir du 17e siècle, Isaac Newton donne une explication rationnelle des couleurs, ensuite la véritable nature de la lumière est donnée par James Clerck Maxwell au19ème Siècle.
Au début du 20ème siècle, les interrogations sur la lumière et la découverte de l’atome ont révolutionné la physique.
Albert Einstein en 1905 a proposé la théorie de la relativité restreinte, qu’il généralise en 1915, Max Planck a posé les bases de la mécanique quantique ; aujourd'hui, ces théories ont été précisées et sont toujours d’actualité et montrent encore leurs pertinences dans la représentation de l’infiniment petit.
En une centaine d’années, la physique nucléaire a fait d’immenses progrès et de nouveaux défis s’offrent aujourd’hui aux chercheurs. Les bases posées par Albert Einstein et Max Planck sont encore solides cependant, une nouvelle révolution de la physique fondamentale est en marche, mais n’a pas encore été trouvée.
Nous allons maintenant revenir sur les acquis scientifiques d’Isaac Newton, James Clerck Maxwell et Max Planck et expliquer ce qu’est la lumière.