Lumière

La lumière: onde où matière ?

Les savants de l'Antiquité pensaient que la lumière était composée de petites particules émises par les objets visibles (et pafois même par les yeux). Par contre, ils avaient déjà bien décrit les phénomènes liés à la propagation rectiligne de la lumière, ainsi que ceux concernant sa réflexion et sa réfraction.

Au début du XVIIème siècle, les scientifiques expérimentèrent dans les domaines de la réflexion ("rebondissement" de la lumière sur une surface) et de la réfraction (déviation de la direction de propagation de la lumière, obliquement, lors d'un changement de milieu). Descartes et Snell furent deux physiciens dont les travaux ont fait progresser nos connaissances de l'optique géométrique.

En 1666, Newton décomposa la lumière blanche en couleurs, grâce à un prisme (double réfraction). Il observa une "bande de couleurs" qui lui paru être immatérielle (d'ailleurs cette décomposition reçut le nom de spectre). Newton imagina que la lumière était composée de petites particules se déplaçant très vite (en ligne droite). Cette description se révéla adéquate pour expliquer la réflexion, la réfraction et les ombres (bords nets pour les objets macroscopiques). Par contre, ce modèle corpusculaire rencontra quelques difficultés. En effet, comment expliquer que les réfractions étaient différentes selon les couleurs du rayon réfracté? Ou encore, pourquoi deux faisceaux de lumière pouvaient-ils se croiser sans (trop) se modifier?

En 1678 Huygens émit l'hypothèse que la lumière était constituée de petites ondes, dont la longueur (d'onde) déterminait la couleur. Cette théorie ondulatoire permit d'expliquer les deux phénomènes précédents (soit la réfraction différentielle suivant la longueur d'onde et le "croisement sans choc" des ondes). La réflexion et la réfraction de la théorie corpusculaire classique put aussi être bien décrite grâce à la théorie ondulatoire. Par contre, on avait de la peine à expliquer la propagation rectiligne et les ombres (aux bords nets) avec la théorie ondulatoire! En effet, on connaissait déjà d'autres types d'ondes (par exemple: les vibrations à la surface de l'eau, ou le son dans l'air, etc) et on se demandait alors pourquoi la lumière ne semblait pas onduler, ni contourner les objets. Pendant un siècle, les deux théories se sont affrontées (une majorité de scientifiques adoptaient le point de vue corpusculaire de Newton).

Mais, en 1801, Young réalisa une expérience cruciale: il perça deux trous (sur une plaque opaque). Ansi, seulement deux parties de la lumière incidente ne devaient pouvoir passer. La théorie corpusculaire prévoyait l'observation (sur un écran situé derrière la plaque) d'une simple tache lumineuse plus brillante à l'endroit où les deux faisceaux se superposaient. Or Young observa une série de franges, alternativement sombres et brillantes. Or seule la théorie ondulatoire permettait d'expliquer ces observations (phénomène d'interférences négatives pour les franges sombres et constructives pour les franges brillantes). De plus, la position des franges d'interférences permit, indirectement, de mesurer les longueurs d'onde de la lumière. Elles se révélèrent très courtes: d'environ 750 nanomètres (0,000075 cm) pour le rouge à environ 390 nanomètres pour le violet (0,000039 cm).

On comprit alors pourquoi la lumière semblait se propager en ligne droite, sans onduler. En effet, les dimensions des objets ordinaires sont bien plus grandes que les longueurs d'onde de la lumière, ce qui fait que "l'effet ondulatoire" ne se fait pas sentir (de même pour la diffraction, qui est la possibilité de contourner des objets d'une taille de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde).
Malgré tout, le phénomène de diffraction a bel est bien lieu avec la lumière, mais à l'échelle microscopique (comme Fresnel l'a montré en 1818). D'ailleurs ce comportement de la lumière limite le grossissement des microscopes optiques: les virus ne peuvent être observés nettement, car ils sont de la taille des longueurs d'onde (alors que la plupart des bactéries sont observables, car de taille supérieure).

La vitesse de la lumière

Galilée avait déjà essayé de mesurer la vitesse de la lumière mais son système (lampes clignotantes, plus ou moins éloignées) était inadapté, car la lumière se propage trop vite pour permettre de donner le moindre résultat avec cette méthode.

En 1676, Roemer réussit à estimer cette vitesse grâce aux éclipses de quatre satellites de Jupiter (à différentes périodes de l'année: plus la Terre est éloignée de Jupiter, plus la durée entre deux éclipses successives augmente). Il obtint alors environ 215'000 km/s.

Ce résultat astronomique fut confirmé en 1728 par Bradley qui utilisa l'influence de la vitesse de la Terre sur son orbite autour du Soleil (phénomène d'aberration des étoiles qui lui permit, indirectement, d'estimer la vitesse de la lumière). Il obtint alors environ 280'000 km/s.

En 1849 Fizeau obtint environ 315'000 km/s en utilisant un système mécanique de miroirs et une roue dentée en rotation (la vitesse de la roue était ajustée pour permettre le passage du rayon lumineux à l'aller, puis au retour après une réflexion sur un miroir).
Ensuite, Léon Foucault reprit le même genre d'expérience (la roue dentée fut remplacée par un miroir en rotation) et sa mesure la plus précise, en 1862, s'approcha de la valeur actuelle (avec moins de 1 % de différence: soit environ 300'000 km/s). 

A la même époque, les scientifiques constatèrent que la lumière se propageait plus lentement dans les liquides que dans l'air. De plus, leurs expériences confirmèrent brillamment la théorie ondulatoire de la lumière (interférences, diffractions, etc).

Plus tard, Michelson réalisa la première mesure de la vitesse de la lumière dans le vide (ou plutôt dans un air très ténu!). Il montra aussi que la vitesse de la lumière, dans le vide, ne dépend plus de la longueur d'onde (alors que dans un liquide, des petits changements sont observés en fonction de la couleur).

Le fait que la lumière puisse se propager dans le vide a longtemps perturbé les physiciens. En effet, toutes les ondes connues avaient besoin d'un milieu matériel pour se propager. C'est ainsi qu'ils supposèrent l'existence d'un milieu spécial qui devait autoriser la propagation de la lumière: l'éther, dont les Grecs avaient déjà parlé dans leur cosmologie.

C'est alors que Michelson et Moreley tentèrent de mettre en évidence expérimentalement un mouvement terrestre par rapport à l'éther (le "vent d'éther" devrait changer relativement à la Terre, en 6 mois d'intervalle, à cause du mouvement de la Terre autour du Soleil). Mais les résultats de leurs expériences ne permirent jamais de détecter ce vent d'éther.

Peu après, Einstein va s'inspirer de ces "expériences négatives" et réussira à en tirer des conclusions intéressantes sur la nature du vide et de la lumière (principe d'invariance de la vitesse de la lumière dans le vide, relativité restreinte en 1905). Néanmoins, la théorie des ondes électromagnétiques de Maxwell, couplée avec la théorie d'induction électromagnétique de Faraday, permettait très bien de comprendre que la lumière puisse se propager dans le vide. En effet, on peut modéliser la lumière sous la forme d'une vibration (onde) électromagnétique auto-entretenue par effets d'inductions successifs (même dans le vide).

En conclusion, l'éther s'est avéré inutile (théoriquement) et inexistant (pratiquement). Nous verrons que finalement, au XXème siècle, notre conception de la lumière va encore évoluer à cause des phénomènes d'absorption et d'émission de la lumière par les atomes: c'est la théorie quantique.