La nature de la lumière : approche historique

La nature exacte de la lumière demeure un sujet fascinant. Les travaux consacrés à l’étude de la lumière et les nombreux débats qui en naquirent occupent pourtant un chapitre important de l’histoire des sciences. On y croise nombre de savants illustres, dont les travaux sur la lumière sont à l’origine de bien des découvertes concernant la vision et l’optique oculaire.

Antiquité : lumière symbole

Depuis l’Antiquité, de nombreux savants et scientifiques ont étudié la lumière afin de mieux comprendre sa nature. Auparavant, la lumière semble avoir fait l’objet d’une interprétation symbolique, contemporaine de l’apparition de la pensée « abstraite ». Élément vital pour les hommes préhistoriques, à qui ils prêtèrent certainement une vertu surnaturelle, la flamme, source « apprivoisable » de lumière, fut l’un des quatre éléments de la philosophie de la Grèce antique. L’illumination devint un pilier théologique, de la symbolique « lumière divine ». Pour les Grecs, l’œil n’était pas le récepteur, mais la « source » de la vision. L’optique était alors la science rattachée à la vision, comprise comme un mécanisme actif de l’œil, qui « illuminait » la scène observée: pour Euclide, les rayons qui relient l’œil et sa cible sont émis par l’oeil.

L’apport de Kepler

C’est au 17e siècle que les théories de la lumières entrèrent dans une ère nouvelle, avec les écrits de Kepler, qui assimile l’œil à un dispositif optique conduisant à la formation d’une image réelle sur la rétine. Il est convaincu que la réception des images est assurée par la rétine et non pas le cristallin comme on le pensait à cette époque, le cerveau remettant à l’endroit l’image inversée qu’il reçoit. Ces avancées font de Kepler un père fondateur de l’optique physique et physiologique. En parallèle, Descartes contribue à séparer la lumière de la Foi de la lumière bien réelle, dont il cherche à comprendre les lois. A ce basculement dans la représentation du monde et de l’essor d’une pensée cartésienne, le courant philosophique européen (en particulier en France) a emprunté le terme de « Lumières », et le 18e siècle qui le porta fut « le siècle des Lumières ».

 

Lumière: pression et corpuscules

En attendant, au 17e siècle, le développement des théories physiques de la lumière s’effectue dans un cadre de « modèles mécaniques ». Pour Descartes, la lumière est une composante de la matière, qui remplit tout l’espace (l’existence du vide est réfutée par ce savant) et dont la propagation est instantanée : la lumière est une pression qui se transmet instantanément dans un « éther », substance remplissant tout l’espace. Les apports de Descartes à l’optique sont indéniables, sans pour autant être toujours positifs. C’est par une analogie avec le trajet de projectiles que Descartes va bâtir sa loi des sinus, en supposant de manière erronée que la lumière se propage mieux (plus vite) dans le verre que dans l’air. Le prestige de Newton, fervent partisan d’une conception corpusculaire de la lumière, va contribuer à l’adoption de cette conception ou s’appliquent les principes de la mécanique Newtonienne. La lumière est faite de corpuscules qui se propagent en ligne droite, au sein d’un « éther ». Cet éther remplit l’espace, puisqu’il nous transmet jusqu’à la lumière des étoiles.

La lumière… une onde?

C’est grâce à cet « éther » que l’hypothèse d’une théorie ondulatoire de la lumière va prendre corps : plutôt qu’un déplacement de matière, la lumière pourrait être un mouvement dans la matière. Certaines observations comme celles du jésuite italien Grimaldi sur la diffraction de la lumière suggèrent que, comme le son dans l’air ou les ondes à la surface d’un milieu liquide, la lumière se propage comme une onde dans un fluide (l’éther).

Après 15 années passées à Paris à participer aux travaux de l’Académie royale des sciences, Huygens publie en 1690 son « Traité de la lumière », dans lequel il écrit que la lumière « s’étend successivement par des ondes sphériques », et que « chaque petit endroit d’un corps lumineux (Soleil, chandelle, charbon ardent…) engendre ces ondes. L’éther de Huygens est un fluide constitué de particules microscopiques élastiques et capable de transmettre une vibration à très grandes vitesse : contrairement au postulat (erroné) de Descartes, la lumière se déplace plus lentement dans le verre ou le cristal.

L’ombre tutélaire de Newton sur la science du 18e siècle explique certainement que dans le domaine de l’optique, peu d’avancées significatives aient été faites et que le caractère ondulatoire de la lumière ne fit l’objet que de peu d’intérêt jusqu’aux travaux de Thomas Young. Né en 1773 en Angleterre, ce savant fit preuve d’un esprit encyclopédique, multipliant les sujets d’étude dans tous les domaines : médecine, acoustique, optique, astronomie, électricité, etc. Ses contributions aux mécanismes de la vision furent importante.

Young; précurseur de l’optique moderne

Young émit l’hypothèse que la sensation colorée dépendait de la fréquence des vibrations lumineuses dans la rétine. , accommodation, astigmatisme). Il expliqua que l’astigmatisme oculaire était lié à un défaut de courbure de la cornée, et que c’était le cristallin qui était responsable du mécanisme de l’accommodation. . Son expérience la plus célèbre, les fentes (ou trous) de Young, est une étape cruciale dans l’histoire de l’optique ondulatoire. C’est en 1807 que Young décrit le dispositif expérimental auquel son nom reste attaché. En projetant un faisceau lumineux sur un une plaque perforée de deux trous minuscules, on observe sur un écran placé derrière cette plaque le mélange résultant des faisceaux ainsi créés : une succession de bandes alternativement sombres et claires. Seule la théorie ondulatoire permettait d’expliquer ce résultat. En fonction de l’amplitude de chacune des ondes en un point, il se produit soit un renforcement, soit une annulation, avec toutes les situations intermédiaires (plus d’explications ici). Baptisant ce phénomène d’ « interférence », Young y voit la preuve ultime que la lumière est une onde ; comment expliquer que l’addition de particules puissent produire de l’obscurité, de manière périodique ?  Malgré cette démonstration, Young se heurtera à l’aura Newtonienne, et ne pourra clairement expliquer certains phénomènes comme la polarisation, bien qu’il entrevoit une explication partielle de celle-ci liée à la nature transversalle des oscillations supposées de l’onde lumineuse.

Reprenant les idées de Huygens, c’est Augustin Fresnel qui parachèvera le modèle ondulatoire de la lumière en supposant que les vibrations de la lumières s’exercent dans une direction transversale et non longitudinale. Il identifie la lumière à un « fluide universel agité par les mouvements rapides des particules des corps lumineux » ; ces mouvements s’effectuent au sein de l’éther, et expliquent les phénomènes d’interférence et de diffraction.

Ces phénomènes peuvent être facilement mis en évidence: contrairement à ce que prédirait une théorie purement « balistique » de la lumière, l’observation de l’intensité lumineuse résultant de la propagation d’un flux d’ondes lumineuses au delà d’un obstacle perforé met en évidence une zone où la lumière est absente au sein de la « tâche » lumineuse formée ( un détecteur de lumière, sensible à l’intensité, révèle un aspect caractéristique où un pic central d’intensité est entouré de plusieurs anneaux concentriques alternant absence et présence d’intensité lumineuse).

dualité onde particule lumière

Un train de rayons lumineux parallèles (à gauche) et d’onde lumineuses parallèles (à droite) rencontrent un obstacle perforé. Dans le cas d’un modèle « balistique » (rayons lumineux matérialisant le trajet de « grains » de lumière), la théorie prévoit que l’image formée du faisceau de rayons incidents propagés au delà de l’obstacle est en tout point superposable à l’orifice ayant permis à la lumière de se propager: on doit observer un disque lumineux d’intensité homogène. La théorie ondulatoire est plus conforme à la réalité: les phénomènes liés aux interférences constructives et destructives expliquent la présence de lumière en dehors de la zone correspondant à la projection de l’orifice, et l’alternance concentrique entre absence et présence de lumière.

Les phénomènes de diffraction et leur lien avec le principe de Huygens sont expliqués ici.

Parallèlement, les expériences de Foucault et Fizeau permettent de mesurer la vitesse de la lumière. Bien que le caractère ondulatoire et la vitesse de la propagation de la lumière commence à s’imposer, la nature même de la lumière et de son support (l’éther) demeurent inconnus. L’unification de l’électricité et du magnétisme au sein d’une théorie unique (théorie électromagnétique) de Maxwell conduit à réaliser que la lumière est une onde électromagnétique.

Au début du 20e siècle, l’échec des expériences conçues pour caractériser les propriétés de l’éther, et la théorie de la relativité restreinte élaborée par Einstein conduiront à abandonner la notion de support nécessaire à la propagation de la lumière. La vitesse de la lumière dans le vide est maximale, ne peut être franchie et est indépendance de tout référentiel.

Lumière: onde ET corpuscule

Le 20e siècle est celui du retour d’une conception corpusculaire de la lumière. Einstein, à partir des travaux de Planck, introduit la notion de photon. Un photon est une particule de lumière qui transporte un quantum d’énergie E = h n ou n est la fréquence de l’onde et h la constante de Planck.  Ces travaux donneront naissance à la mécanique et l’optique quantique, ou la lumière est à la fois onde et particule. La théorie quantique du rayonnement lumineux sera à l’origine de l’effet LASER (Light Amplification by Simulated Emission Radiation), prédit par Einstein en 1917, et concrétisé en 1960 par Maiman qui obtint le premier faisceau LASER.

Electrodynamique quantique : l’unification

Les mécanismes ondulatoires et corpusculaires seront brillamment réunis par un physicien américain vulgarisateur de génie, Richard Feynman, dans la seconde moitié du 20e 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.

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