La compréhension d’un phénomène est indissociable de la construction d’images mentales qui aident à réfléchir et à structurer les connaissances. Cette construction d’images se fait principalement par analogie avec des phénomènes déjà expliqués et bien compris. Quelle analogie retenir pour décrire la lumière, onde ou corpuscule?

Dans la théorie corpusculaire de la lumière élaborée par Isaac Newton (1643-1727), il est facile de raisonner par analogie. Les corpuscules de lumière sont de petites billes, microscopiques, qui se déplacent en ligne droite, comme tout projectile. Quelques ombres au tableau: si la lumière est constituée de particules, le contour de l’ombre d’un objet devrait être une ligne clairement définie alors qu’en réalité ce contour est flou. Les défenseurs de la théorie corpusculaire ont alors supposé que la trajectoire de la corpuscule était déviée au voisinage de l’objet par une force répulsive exercée par celui-ci.

Une autre conséquence troublante de cette théorie est que, pour expliquer la réfraction, la lumière doit se propager plus rapidement dans un milieu plus dense, c’est-à-dire plus rapidement dans le verre que dans l’air et plus rapidement dans l’eau que dans l’air, par exemple.

Crédit : Davide Restivo, Aarau, Switzerland (Drops #1) [CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], via Wikimedia Commons

Théorie ondulatoire

Dans la théorie ondulatoire de la lumière développée par Christiaan Huygens (1629-1695), la lumière est une onde. On peut se construire une image mentale par analogie à la propagation d’une onde à la surface de l’eau, à la différence que l’onde lumineuse, comme l’onde sonore, se propage dans toutes les directions, pas seulement dans un plan. Le front d’une onde lumineuse est donc sphérique. Cependant, pour expliquer les phénomènes avec cette théorie, il faut considérer que chaque point d’un front d’onde se comporte comme une nouvelle source de lumière. Cette représentation n’est pas intuitivement évidente.

Il y a d’autres considérations qui rendent cette théorie difficile à accepter. À l’époque de Huygens, elle nécessite beaucoup de manipulations géométriques pour décrire et prévoir le comportement de la lumière. L’algèbre et l’analyse infinitésimale ne sont pas encore suffisamment développées pour décrire efficacement les concepts de la théorie ondulatoire. De plus, on sait, depuis les travaux de Robert Boyle (1627-1691), que le son ne se transmet pas dans le vide. Comment une onde lumineuse pourrait-elle se propager dans le vide ? Les défenseurs de la théorie ondulatoire ont fait l’hypothèse que pour se propager, l’onde lumineuse a besoin d’un support qui fut appelé éther¹.

L’existence d’un tel support était en accord avec la théorie de l’impossibilité du vide héritée d’Aristote (~384 à ~322). Cependant, les travaux d’Evangelista Torricelli (1608-1647), de Blaise Pascal (1623-1662) et de Robert Boyle ont clairement montré que le vide n’est pas impossible.

Dans la théorie de Huygens, la réfraction est expliquée en supposant que la lumière voyage moins vite dans le verre que dans l’air. Cependant, Huygens ne disposait pas des outils mathématiques qui lui auraient permis de rendre cette théorie facilement accessible et entièrement convaincante.

Le prestige de Newton a favorisé l’adoption de la théorie corpusculaire par la plupart des savants.

Biréfringence dans un cristal

Le phénomène appelé « biréfringence d’un cristal » a été observé en 1669 par le médecin danois Érasme Bartholin (1625-1698). Ayant ramené un prisme de calcite d’un voyage en Islande², il remarque un phénomène étonnant. Le prisme a pour effet de dédoubler les images des objets sur lesquels on le pose. Ainsi, en posant le cristal sur une feuille de papier marquée d’un trait, celui-ci se dé- double. et on voit deux traits.

Bartholin suppose que ce dédoublement des images résulte d’une double réfraction³. Un des rayons suit les lois habituelles de la réfraction, il le nomme « rayon ordinaire» et l’autre se comporte différemment, il le nomme « rayon extraordinaire ».

Plus intriguant, en faisant tourner le cristal, l’image extraordinaire disparaît lorsque le trait tracé sur la feuille est orienté suivant la bissectrice des angles obtus du cristal. Mais,comment expliquer un tel comportement de la lumière?

Pour que l’image se dédouble, il faut qu’en traversant le cristal le rayon lumineux se dédouble en rayon ordinaire et en rayon extraordinaire, comme dans l’illustration ci-dessous.

Huygens s’attaque au problème et échafaude une explication basée sur le fait que la déviation du rayon extraordinaire présente les mêmes symétries que les faces naturelles de la calcite. Il suppose que le cristal est constitué de petites masses, des molécules, disposées symétriquement et invisibles à l’œil nu. Ces molécules font dévier le front d’onde, ce qui donne le rayon extraordinaire. Le rayon ordinaire se propage sans déviation dans « l’éther » emplissant l’espace entre ces molécules. Huygens fait diverses mesures sur l’angle de déviation et l’orientation du cristal par rapport à l’objet dédoublé. Cependant, sa théorie explique seulement une partie des phénomènes observables. En superposant deux cristaux de calcite, divers phénomènes se produisent que Huygens s’avoue incapable d’expliquer.

Newton saisit l’opportunité de démontrer la supériorité de sa théorie corpusculaire et, en 1703, il publie Optique, dans lequel il explique avoir repris les expériences et effectué les mêmes mesures que Huygens, mais en parvenant à des résultats différents et conformes aux prévisions de la théorie corpusculaire. Cette parution discrédite complètement la théorie ondulatoire qui, selon les mesures obtenues par Newton, n’est pas conforme à l’expérience et les scientifiques adoptent la théorie corpusculaire.

Coup de théâtre en 1802, le chimiste et physicien anglais William Wollaston (1766- 1828), sans que l’on sache pourquoi, reprend les expériences et vérifie les mesures de Newton en appliquant une méthode de mesure des indices de réfraction qu’il a lui-même développée. À la surprise générale, il parvient aux mêmes résultats que Huygens.

Les fentes de Young

Le premier à véritablement remettre en question la théorie de Newton est le savant anglais Thomas Young (1773-1829). Il conçoit une expérience qui est appelée expérience des fentes de Young Young02. En éclairant une plaque opaque percée d’une minuscule fente, on voit une bande claire sur un écran de l’autre côté de la plaque.

Si la plaque est percée de deux minces fentes, on s’attend à voir apparaître deux bandes claires, mais on voit une alternance de bandes claires et obscures. Dans son compte-rendu, Young a recours à la théorie ondulatoire pour expliquer le phénomène. Cette expérience n’a pas suffi à remettre sérieusement en question la théorie corpusculaire parce que les conclusions de Young sont surtout qualitatives. Elles ne se fondent pas sur des descriptions et des développements mathématiques (pour une approche légèrement mathématique, voir Young03). De plus, pour qu’une expérience ait un impact auprès de la communauté scientifique, d’autres chercheurs doivent y voir une piste importante à explorer, refaire les expériences et en développer d’autres pour apporter une meilleure compréhension. Pour entreprendre un tel projet, il faut préalablement douter de la validité de la théorie acceptée par la communauté scientifique. Le doute s’installe en 1804 alors que le père de la cristallographie, René-Just Haüy refait lui aussi les mesures de la réfraction dans un cristal et, comme Wollaston, parvient aux mêmes résultats que Huygens.

De la biréfringence à la polarisation

Pour résoudre l’énigme posée par la biréfringence, l’Institut des Sciences, à Paris, annonce, en janvier 1808, un concours dont le prix sera attribué au mémoire:

qui donnera de la double réfraction que subit la lumière en traversant diverses substances cristallisées, une théorie mathématique vérifiée par l’expérience.

En cette même année, le polytechnicien Étienne-Louis Malus observe, au-travers d’un prisme de calcite, les rayons du Soleil réfléchis par une vitre du palais du Luxembourg et remarque qu’un seul rayon traverse le cristal. Malus entreprend alors une série d’expériences pour étudier la double réfraction. Il tente une explication dans un mémoire intitulé Sur une propriété des forces répulsives qui agissent sur la lumière et présenté en 1809. Dans ce mémoire, il base son étude sur la théorie corpusculaire et reprend une idée de Newton à l’effet que les corpuscules de lumière ont une forme. Il peuvent donc se décrire par rapport à trois axes perpendiculaires entre eux dans l’espace, dont l’un a la même orientation que le rayon lumineux alors que les deux autres sont dans le plan perpendiculaire et peuvent pointer dans diverses directions.

Malus explique que la double réfraction est causée par l’orientation des « molécules constituantes »⁴ du milieu cristallin par rapport aux « molécules lumineuses ». En 1811, il explique que des forces agissent sur les deux pôles de la molécule de lumière sans affecter son centre de gravité. Cette action est similaire à celle du magnétisme terrestre sur l’aiguille aimantée d’une boussole. Malus donne un nom au phénomène étudié, la « polarisation de la lumière ».

L’entrée en scène de Fresnel

Indépendamment de Young, le français Augustin Fresnel (1788-1827), avec des moyens de fortune, entreprend lui aussi de réaliser des expériences sur la lumière. Il étudie d’abord les franges claires et obscures à l’intérieur et à l’extérieur de l’ombre géométrique d’un corps opaque, un fil en l’occurrence Fresnel02. Il observe une alternance de bandes obscures et lumineuses aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur de l’ombre géométrique.

Tout comme Young, Fresnel a recours à la théorie ondulatoire pour expliquer les phénomènes qu’il observe. Cependant, il utilise des outils mathématiques comme le calcul différentiel et intégral pour décrire et expliquer cette alternance de franges claires et obscures. En 1815, il présente un mémoire à l’Académie décrivant son travail sur la diffraction. C’est François Arago (1786- 1853) qui se voit confier la responsabilité d’étudier le mémoire. Celui-ci remarque une caractéristique qui lui semble importante pour établir la validité de la théorie ondulatoire. Les franges ne sont pas droites mais courbes, elles forment des segments d’hyperboles. Un tel comportement n’est pas explicable par la théorie corpusculaire puisque le corpuscule se déplace en ligne droite. Arago recommande à Fresnel de poursuivre les recherches dans cette voie et de réaliser d’autres expériences avec de la lumière monochromatique, c’est-à-dire de la lumière composée d’une seule couleur, et donc d’une seule fréquence.

En 1817, l’Académie lance un nouveau concours et Fresnel met au point d’autres protocoles expérimentaux à l’aide de miroirs et de lentilles pour réaliser des expériences analogues à celle des fentes de Young Fresnel03.

Les mesures effectuées par Fresnel lui ont permis de développer une description mathématique très précise accréditant la théorie ondulatoire de la lumière. C’est dans un mémoire soumis à l’Académie des Sciences en 1819, en réponse au concours lancé en 1817 et dont le sujet porte sur la diffraction de la lumière, que Fresnel expose ses théories. Il fait alors face à de rudes adversaires, entre autres, Pierre-Simon de Laplace (1749- 1827) et Siméon-Denis Poisson (1781-1840) qui sont partisans de la théorie corpusculaire de Newton. Il compte cependant sur quelques alliés précieux, François Arago et André-Marie Ampère (1775-1836).

Fresnel remporte ce concours, mais les phénomènes optiques ne sont pas encore tous expliqués. C’est le cas de la polarisation de la lumière. Fresnel sait que pour que sa théorie soit véritablement adoptée par la communauté scientifique, il doit réussir à expliquer ce phénomène. Depuis 1816, il s’intéresse à la polarisation et soumet ses expériences à la critique d’Arago. Celui-ci lui a fait attribuer un poste à Paris au service des phares. Ensemble, ils ont refait les expériences de Malus,de Biot et de Brewster et sont parvenus aux mêmes résultats. Ils ne détectent rien de nouveau jusqu’à ce qu’ils décident d’observer comment interfèrent deux rayons, l’un ordinaire et l’autre extraordinaire. À leur grande stupéfaction, il n’y a pas de franges d’interférence. Pour parvenir à l’expliquer, Fresnel adopte une suggestion d’Ampère, la lumière n’est pas une onde longitudinale, c’est une onde transversale et l’onde du rayon extraordinaire est perpendiculaire à celle du rayon ordinaire. En utilisant cette hypothèse, Fresnel réussit, en 1821, à donner une explication satisfaisante de la polarisation dans le cadre de la théorie ondulatoire Fresnel04.

La vitesse de la lumière

Une autre caractéristique importante de la lumière est sa vitesse. Est-elle finie ou infinie? Si elle est finie, est-elle plus grande ou plus petite dans un milieu plus dense?

Selon Aristote, la lumière se propage instantanément, ce qui signifie une vitesse infinie. Galilée (1564-1642) est le premier à tenter de mettre au point une expérience pour démontrer que cette vitesse est finie, mais il ne disposait pas des moyens techniques pour y parvenir. En 1676,en observant les éclipses du satellite Io de Jupiter, l’astronome danois Ole Christiansen Rømer (1644-1710), a réussi à montrer que la vitesse de la lumière est finie en déterminant le temps nécessaire pour que la lumière parcoure le diamètre de l’orbite terrestre autour du Soleil. Le diamètre de cette orbite n’étant pas connu à l’époque, il ne pouvait calculer la vitesse de la lumière, mais ses travaux démontraient clairement que cette vitesse est finie.

Arago conçoit des protocoles expérimentaux qui devraient permettre de déterminer la vitesse de la lumière. Ne pouvant les réaliser lui-même il les communique à Hippolyte Fizeau (1819-1896) et à Léon Foucault (1819-1868). Ces deux savants français sont les premiers à réaliser des expériences permettant de calculer cette vitesse dans l’air. Ils ont ensuite cherché à déterminer la vitesse de la lumière dans l’eau; Foucault y parvient le premier en 1850. Il montre que la vitesse de la lumière est plus grande dans l’air que dans l’eau. Cette démonstration est un argument important en faveur de la théorie ondulatoire de la lumière.

Lentille de Fresnel, phare de Pointe-au-Père, Pierre Ross

Dualité onde-particule

La théorie ondulatoire a graduellement remplacé la théorie corpusculaire au cours du XIX^e siècle. L’explication de la polarisation de la lumière à l’aide de la théorie ondulatoire par Fresnel, en 1821, et les expériences de Foucault et Fizeau sur la vitesse de la lumière dans l’air et dans l’eau ont été déterminantes dans cette reconnaissance par la communauté scientifique.

En 1861, James Clerk Maxwell (1831-1879), s’appuyant sur les travaux de Michael Faraday publie, dans Philosophical Magazine, un article intitulé On Physical Lines of Force. Il y décrit la lumière comme étant un phénomène électromagnétique. Il présente un ensemble d’équations, appelées équations de Maxwell, quatre équations différentielles qui unifient l’électricité, le magnétisme et l’induction. Il démontre que les champs électriques et magnétiques se propagent dans l’espace sous la forme d’une onde et à la vitesse de la lumière.

La théorie corpusculaire semble alors complètement dépassée, mais en 1839, Antoine-Henri Becquerel (1788-1878) et son fils Edmond (1820-1891) réalisent une expérience qui permet d’observer le comportement électrique d’électrodes immergées dans un liquide modifié par un éclairage. Il découvre ainsi un comportement appelé effet photoélectrique.

En 1905, Albert Einstein (1879-1955) explique l’effet photoélectrique, soit l’émission d’électrons par un matériau soumis à un rayon lumineux, en postulant l’existence de photons, qui seraient des grains d’énergie lumineuse ayant des propriétés de particules. L’effet photoélectrique est provoqué par l’absorption de photons, les quanta de lumière, lors de l’interaction du matériau avec la lumière. La fréquence n de la lumière est liée à l’énergie E par la relation, \(E = h\nu,\) où \(h = 6,626 \times 10^{-34}\) J⋅s, est la constante de Planck (Max, 1858-1947). Cette explication valut à Einstein le prix Nobel de physique en 1921.

La nature corpusculaire de la lumière refait surface et, en 1924, Louis de Broglie généralise la relation de Planck-Einstein en énonçant que toute matière a une nature ondulatoire. Il décrit par \(\lambda = h/p,\) la relation entre la quantité de mouvement \(p\) d’une particule et la longueur d’onde \(\lambda\) de ce mouvement. La relation de de Broglie a depuis été confirmée expérimentalement.

Les recherches se sont poursuivies et l’expérience des fentes de Young a été réalisée en diminuant l’intensité de la source de telle sorte que la lumière soit émise photon par photon. Sur une plaque photographique qui sert d’écran, chaque photon a alors un point d’impact, ce qui s’explique facilement en considérant que le photon est une particule. Cependant, à mesure que les photons frappent l’écran, les points d’impact forment des franges d’interférence caractéristiques des ondes.

Comment interpréter cette expérience? Si on considère que la lumière est une onde, les points d’impact sur la plaque photographique sont inexplicables. Si on considère que la lumière est composée de particules, les franges d’interférence sont inexplicables.

La métaphore du cylindre

On est forcé d’admettre le concept onde-particule, ce qui laisse perplexe. Comment construire une représentation mentale de ce concept? Les propriétés des particules sont différentes de celles des ondes.

Pour réussir à rendre acceptable cette dualité, on a recours à une analogie, celle de l’ombre projetée par un cylindre sur des murs perpendiculaires. Sur un des murs, la projection est un rectangle et sur le mur perpendiculaire, la projection est un cercle. Tout comme les ondes et les particules, ces deux figures géométriques n’ont pas du tout les mêmes propriétés. Cette analogie suggère que la vraie nature de la lumière nous échappe toujours. Tout comme dans le métaphore de la Caverne de Platon, les phénomènes que nous observons ne sont-ils que l’ombre de la réalité?

Pour en s\(\alpha\)voir plus!

• Comment la lumière est devenue une onde, Les cahiers de Science & Vie, octobre 2001.
• Les mathématiques expliquent les lois de la nature: le cas du champ électromagnétique,
  Les cahiers de Science & Vie, no 67, février 2002.
• Maxwell – Champ, particules, couleurs, Les génies de la science, Pour la science, no 24, août-novembre 2005.
• Maxwell ou les champs de la lumière, Les cahiers de Science & Vie, octobre 1993.
• Pour plus de renseignements sur les scientifiques cités dans cet article voir les documents Huygens02, Young01, Young02, Young03, Malus,Fresnel01, Fresnel02, Fresnel03, Fresnel04, dans « Notes historiques », site de Loze-Dion, http://www.lozedion.com/complements-dinfo/calcul-differentiel-applications-sciences-humaines/notes-historiques/ ainsi que les vidéos historiques sous la rubrique « Vitesse de la lumière » à l’adresse http://www.lozedion.com/complements-dinfo/calcul-differentiel-applications-sciences-humaines/videos-historiques/
• Planck, la révolution quantique, Les génies de la science, Pour la science, no 27, mai-juillet 2006.

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