____L'histoire des
découvertes en optique ondulatoire est passionnante et exemplaire en ce
qui concerne les étapes d'une vraie démarche scientifique. Nous
n'en donnerons dans ce texte de manipulation qu'un bref résumé.
La bibliographie et les liens internet permettront à ceux qui aiment la
Physique et son histoire de compléter leurs connaissances.
C'est en 1657 [1] que le mathématicien français
Pierre
Fermat (1601-1665) énonce le premier principe fondamental de
l'optique dont nous donnons ici la forme initiale: _"La
nature agit toujours par les voies les plus courtes" ____Pierre
Fermat contestait vigoureusement les propositions initiales de Descartes
qui servaient de base à sa Dioptrique. Descartes supposait en effet que
la vitesse de la lumière était plus faible dans l'air que dans l'eau.
La controverse fut très vive. Il qualifiait la démonstration de
l'auteur du fameux "discours de la méthode" de "véritable paralogisme"
En utilisant son principe et des suppositions inverses, Fermat, qui ne disposait
pas des facilités du calcul intégral parvenait cependant démontrer
mathématiquement les mêmes lois de la réfraction que Descartes.
___Dans les ouvrages
actuels [2], sans doute pour éviter toute confusion avec "le principe
du moindre effort", l'énoncé du principe de Fermat est proposé
sous une forme moins générale, mais plus explicite
: ___"La lumière
se propage d'un point à un autre sur une trajectoire telle que la durée
du parcours soit minimale ou plutôt stationnaire" ____La
notion de chemin optique en découle directement. On en déduit les
lois de la réflexion, de la réfraction et plus généralement
celles de l'optique géométrique. Les notions de stigmatisme des
systèmes optiques dans la formation des images font également
appel au principe de Fermat. Les calculs de chemins optique jouent un rôle
fondamental dans l'interprétation des phénomènes de diffraction
et d'interférence. _____On
attribue la découverte de la diffraction au père jésuite
italien de Bologne Francesco
Grimaldi [1] (1618-1663). Citons la première proposition de son
ouvrage publié en 1665 : "Physico-mathesis de Lumine, coloribus et iride"
___" Lumen propagatur seu
diffunditur non solum Directe, Refracte, ac Refexe, sed etiam Quatro modo, Diffracte."
____Enfermé dans
une chambre obscure il perçait de minuscules ouvertures dans un rideau
noir exposé au soleil. Il interposait sur le trajet du faisceau un écran
percé d'un petit trou ou une fente, un bord d'écran, des fils, des
cheveux, de la toile, des plumes d'oiseaux. Chaque fois il observait sur un écran
placé derrière ces objets, des franges irisées en dehors
du trajet géométrique normal. Il suppose donc que le changement
de trajectoire de la lumière lors de son passage à proximité
d'objets opaques, est la conséquence d'un phènomène nouveau
qu'il appelle diffraction. ____Grimaldi
a probablement observé des interférences avec deux sources proches.
Mais ses descriptions ne sont pas suffisamment précises pour conclure.
____Christiaan
Huygens (1629-1695) [1] qui a laissé une œuvre importante en mécanique
s'est également intéressé à l'optique. Dans son "Traité
de la lumière" qui ne comporte que 90 pages écrit en 1678 et publié
en 1691, il jeta les bases de la théorie ondulatoire de la lumière.
Il supposait que la lumière se propageait sous la forme d'ondes sphériques,
que chaque point atteint par l'onde pouvait être transformé en une
nouvelle source. Il raisonnait par analogie avec la propagation des ondes à
la surface de l'eau ou des ondes sonores dans l'air. Pour lui la vibration lumineuse
était longitudinale et avait besoin d'un milieu matériel pour se
propager. Incapable de définir précisément la nature de ce
milieu, il l'appela "l'éther". La théorie des ondelettes lui permettait
par exemple de retrouver les lois de la réfraction. La construction géométrique
du rayon réfracté d'Huygens est encore en usage aujourd'hui.
____Isaac
Newton (1642-1727) [1] observa également les phénomènes
de diffraction et les franges localisées des lames minces. Il publia jusqu'en
1704 un volumineux ouvrage en trois tomes "Opticks". En plus de ses observations
expérimentales très intéressantes il y développait
une théorie corpusculaire de la lumière qui ne fut abandonnée
qu'un siècle plus tard. Sa notoriété dans d'autres domaines
était telle que ses admirateurs, "les newtoniens" bloquèrent longtemps
l'évolution de la théorie ondulatoire alors que Newton lui-même,
qui connaissait les travaux d'Huygens avait fait quelques approches dans ce sens.
Il le citait sous le nom d'Hugénius (grand génie). ____C'est
à Thomas Young (1773-1829)[1], médecin
anglais aux connaissances universelles, que revient le mérite d'avoir véritablement
relancé vers 1804 la théorie ondulatoire. Auteur d'une thèse
sur la production de la voix humaine, il avait une parfaite connaissance des phénomènes
de propagation du son. Il s'intéressait à la diffraction, aux franges
des lames minces et on peut considérer qu'il a découvert les interférences
en faisant passer la lumière issue d'une source ponctuelle à travers
deux petits trous voisins un peu comme Grimaldi l'avait fait en prenant comme
source le soleil. Ces trous devenaient deux sources cohérentes émettant
des faisceaux divergents par diffraction. Sur un écran éloigné,
dans la zone de recouvrement des faisceaux, il observait des franges d'interférences.
Il éxécuta des mesures, et sur la base d'un modèle ondulatoire
qui sera exposé plus loin, il put évaluer la longueur d'onde de
la lumière pour différentes couleurs comme le rouge (0,7 microns)
et le violet (O,42 microns). Par contre il ne donna pas une explication convaincante
des phénomènes de diffraction. La publication de ses travaux fut
couverte d'insultes par les newtoniens parmi lesquels Lord Brougham fut le plus
virulent. ____Augustin
Fresnel (1788-1827) [1][3], polytechnicien et ingénieur des Ponts et
Chaussées prendra la suite vers 1814 . Il se forma seul, puis sous
la direction de François Arago (1786-1853) qui était déjà
académicien. A l'inverse de lord Brougham pour Young, Arago soutiendra
toujours Fresnel. Opposant déclaré de Napoléon, il fut assigné
à résidence dans un petit village près de Caen au retour
de l'île d'Elbe. C'est la qu'il commence ses premières expérimentations.
Au lieu de faire pénétrer la lumière solaire dans sa chambre
noire par un petit trou, il utilise une petite goutte de miel insérée
dans un trou percé dans une plaque métallique. La goutte fait fonction
de lentille et donne une minuscule image du soleil qui constitue sa source ponctuelle.
Comme ses prédécesseurs il interpose des écrans percés
de trous, de fentes, des fils etc. Par contre l'écran sur lequel il observe
les figures d'interférences et de diffraction est un verre dépoli.
Derrière l'écran, il place une loupe montée sur un micromètre
fabriqué par le forgeron du village. Il effectue ainsi des mesures précises.
Son premier mémoire sur la diffraction paraît dès 1815. En
1817, alarmés par la reprise de la théorie ondulatoire, les newtoniens
de l'académie des Sciences organisent un concours sur le thème de
la diffraction. Fresnel sera le seul à répondre. Son mémoire
déposé en 1818 et récompensé en 1819, sera le triomphe
de la théorie ondulatoire. On y trouve bien entendu le principe d'Huygens
Fresnel qui permet par le calcul intégral de retrouver précisément
l'allure des figures de diffraction. Par la suite Fresnel imagina deux nouveaux
dispositifs pour obtenir des interférences: les miroirs et le biprisme
dits de Fresnel. De 1820 à 1823, il s'intéressa à la polarisation
de la lumière. Avec Arago, il démontra expérimentalement
que la vibration lumineuse qu'il avait supposée longitudinale, était
en réalité transversale. ____En
1849 Hippolyte Fizeau [4] obtient la première
mesure terrestre de la vitesse de la lumière par la méthode de la
roue dentée. En 1850 Leon
Foucault [4] (1819-1868) effectue la même mesure par la méthode
du miroir tournant. ____Cependant
la véritable nature de la vibration lumineuse restait inconnue. C'est en
1873 que le physicien écossais James-Clerk
Maxwell [5] (1831-1879) effectue une brillante synthèse des connaissances
de l'époque sur le champ électrique et sur le champ magnétique.
Tout deux agissent à distance sur les particules chargées. Toute
variation de l'un entraîne l'apparition de l'autre. Les deux vecteurs représentatifs
sont perpendiculaires. Toute perturbation se propage à distance comme une
onde dite "électromagnétique" dont les vibrations sont transversales.
La vitesse de propagation est justement celle de la lumière. Le résultat
final des travaux de Maxwel se résume à quatre équations
à partir desquelles on peut tout reconstruire. ____Dès
1888 le physicien allemand Heinrich Hertz [6]
(1857-1894) montre expérimentalement que des circuits oscillants peuvent
émettre des ondes électromagnétiques. Ces ondes polarisées,
obéissent aux mêmes lois que la lumière; réflexion,
réfraction, diffraction et interférences, seule la fréquence
diffère. ____En
1890 Wiener [7] parvient à enregistrer photographiquement des ondes stationnaires
obtenues en éclairant sous incidence normale avec un faisceau de lumière
monochromatique parallèle un dispositif qui est en quelque sorte un coin
d'air dont la glace inférieure a été argentée tandis
que la face en regard de la glace supérieure est recouverte d'une très
fine couche de collodion au bromure d'argent. L'amplitude de l'onde réfléchie
étant pratiquement égale à celle de l'onde incidente, ce
sont effectivement des ondes stationnaires qui ont été enregistrées.
Les résultats montrent qu'il existe une zone nodale au niveau de la surface
du miroir. C'est donc le champ électrique qui représentera, dans
le vide ou dans l'air, la vibration lumineuse. ____Parallèlement,
l'interprétation des spectres continus ou discontinus, tant en absorption
qu'en émission, montre que l'énergie transportée par une
radiation de fréquence n
est un multiple entier d'un "quantum"d'énergie E = hn
où h est la constante de Planck (h = 6.62 10-34J.s) ____En
1905 Albert Enstein (1879-1959) réintroduit un modèle corpusculaire.
Le quantum d'énergie E = hn
est associé à un corpuscule nommé photon. Il se déplace
à la même vitesse que les ondes électromagnétiques,
sa masse et sa charge sont nulles. Les modèles ondulatoire et corpusculaire
sont complémentaires. Un train d'ondes électromagnétiques
de fréquence n accompagne
le photon. BIBLIOGRAPHIE (ouvrages ou revues facilement
accessibles à la Bibliothèque Universitaire) [1] Vasco
Ronchi "Histoire de la lumière" Librairie Armand Colin
1956" [2] José-Philippe Pérez ; Optique géométrique
et ondulatoire; Editions Masson 1994 [3] Les cahiers de Science
& Vie n°5: " Fresnel : qu'est-ce que la lumière" [4]
Les cahiers de Science & Vie n°25 "Comment on a réussi à
mesurer la vitesse de la lumière" [5] Les cahiers de Science
& Vie n°17 "Maxwell ou les champs de la lumière" [6]
Les cahiers de Science & Vie n°30 "Hertz : comment il a révélé
l'existence des ondes radio" [7] P. Fleury J.P. Mathieu : Images
Optiques Editions Eyrolles 1960 p.236 |