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Biographies – Lumière

La nature de la lumière est une question primordiale, en science et en philosophie. Dans l’évolution des civilisations humaines, depuis toujours, la lumière est au cœur des structures de la pensée philosophique, au centre des rituels religieux et la lumière reste encore de nos jours un concept insaisissable pour les modèles mathématiques. Feynman disait que la nature de la lumière dépend de la manière dont-on l’interroge.

Images et Couleurs (Part. 1)

C’est dans l’obscurité de notre intériorité, dans le repli sur soi et dans la contemplation méditative dénuée de toute source extérieure stimulante que l’on trouve les ressources nécessaires pour catalyser l’énergie utile puis dénouer la compréhension du monde et déjouer l’illusion. Tous les chercheurs de vérité sont passés par là, pour approcher quelque peu les étincelles de vie qui éclairent, de manière furtive, le monde et ses mystères.

La lumière est un symbole et Newton l’aborde ainsi lorsque, de manière « pseudo-arbitraire », il découpe le spectre lumineux ou le continuum énergétique du rayonnement électromagnétique en 7 radiations colorées.

La théorie newtonienne de la lumière est une vision corpusculaire, une « théorie de l’émission » comme l’exprimait Fresnel contrairement au « système des ondulations ». Quoique sa « théorie des accès » essayait d’expliquer les anneaux de diffraction qui portent son nom avec une subtile combinaison de périodicité ondulatoire manifestée et de corpuscules mis en jeu.

Des biographies, de 1629 à 1896, sur le thème de la lumière, les découvertes et les premiers concepts qui permettent d’en décrire son comportement :

HUYGENS Christian (1629-1695)

Poète et mathématicien, il publie son premier traité de géométrie en 1651 et il invente sa première horloge. Il a eu de la chance, pour l’équivalent de plusieurs millions de nos jours (soit 6000 livres à l’époque) par an, Huygens et Cassini viennent en France pour alléger les finances de Colbert sous Louis XIV mais surtout pour enrichir l’Académie des Sciences et l’Observatoire Royal de Paris. Après une vie de Seigneur à la Cour, et un édit de Nantes révoqué, faisant suite à la guerre en Hollande, il rentre au pays malade et isolé. Mais il invente la première horloge à pendule vertical et il détermina la courbe pour laquelle toutes les oscillations sont isochrones : la cycloïde. Il découvre, à travers la « sympathie des horloges », le phénomène de la résonance envisagée (de nos jours) par des oscillations mécaniques, électriques (radio) et même quantiques. On lui doit la notion de force centrifuge, la théorie des chocs élastiques (conservation de la « force vive »), qui s’appliquent maintenant aux neutrons comme en artillerie.  Il imagine un procédé pour tailler les verres de lunette, fabrique la première lunette sans tube et dispose un micromètre sur l’objectif pour mesurer les diamètres des astres. A 19 ans, il énonce l’hypothèse d’un anneau lié à saturne et incliné sur l’écliptique. A 60 ans, il publie son traité d’optique dans lequel il assimile la lumière à une vibration analogue au son mais transporté par un « milieu subtil » et pénétrant tous les corps : l’éther.

Il énonce le principe qu’en chaque point de l’éther excité, une nouvelle onde sphérique se propage et l’enveloppe géométrique de toutes ces ondes secondaires représentent le front d’onde. Ces idées sur la nature ondulatoire de la lumière étaient combattues par Newton lui-même. Huygens maintenait des correspondances avec Descartes. C’est Fresnel qui formalisera (en 1815, plus d’un siècle après) les intuitions d’Huygens mais déjà en 1801, les expériences de Young valident la théorie ondulatoire de la lumière. L’analyse mathématique justifie « la perception d’Huygens » à partir des expériences de diffraction.

FRESNEL Augustin (1788-1827)

C’est en 1832 que Fresnel rédige son traité De la Lumière basé sur des expérimentations solides qui valident la théorie ondulatoire. Depuis deux siècles, les scientifiques concevaient la lumière comme un jet de projectiles ou simplement un « rayon » sans définir davantage la nature de la lumière. Fresnel s’appuyait sur les conceptions novatrices et les idées fécondes de Thomas Young qu’il ne pouvait développer faute de culture mathématique suffisante mais publiées de 1801 à 1807. Pour que Fresnel établissent la propagation de la lumière par des ondes périodiques, les étapes nécessaires étaient de passer par :

  • Huygens et la construction ondulatoire de la lumière
  • Young et l’observation du phénomène des interférences
  • Malus et la polarisation de la lumière par réflexion
  • Arago retrouve la polarisation dans le ciel bleu
  • Biot découvre le pouvoir rotatoire de certains liquides

Après Fresnel, les interférences sont appliquées aux mesures métrologiques qui utilisent le rayon de lumière comme une règle graduée. C’est Foucault et Fizeau qui font ce travail et plus tard, avec les rayons X, le laser, la diffraction des rayons de lumière… Cette dernière technique est utilisée pour déterminer la dimension et la forme des cristaux moléculaires et ioniques. C’est la naissance d’une nouvelle science : la cristallographie. Foucault mesure également la vitesse de la lumière dans différents milieux (1850).

Fresnel associait les ondes lumineuses aux comportements des ondes sonores pour en utiliser les équations mathématiques de départ. En suivant cette analogie, il suppose la nécessité d’un corps élastique et matériel permettant la propagation des ondes lumineuse. L’approche de Fresnel était surtout mécaniste. Il faut attendre l’expérience de Michelson-Morley pour voir disparaitre l’éther, longtemps recherchait par les physiciens du monde entier. Ensuite, la lumière, avec Maxwell, est reliée aux phénomènes électriques, la lumière devient, à la fin du XIXe siècle, modélisée par la théorie électromagnétique.

A ce stade, on croyait la théorie corpusculaire définitivement abandonnée… En 1905, l’interprétation du phénomène d’extraction des électrons en éclairant une surface métallique (effet photoélectrique) permet à Einstein d’introduire une énergie d’extraction proportionnelle à la fréquence du rayonnement. Nous avons :

avec f la fréquence, h la constante de Planck et E l’énergie.

L’équation est très simple par rapport aux équations très analytiques (intégrales, sinus cardinal…) de la théorie ondulatoire. L’effet photoélectrique permet donc de réintroduire le modèle corpusculaire de la lumière car on observe que la vitesse des électrons est la même quelque soit la distance de la surface éclairée à la source lumineuse. Ce résultat est incompatible avec une énergie lumineuse uniformément répartie sur le front d’onde car l’énergie (et donc la vitesse des électrons) diminuerai lorsqu’elle s’étalera sur une surface de plus en plus grande. Au début du XXe siècle, la lumière est donc composée de particules élémentaires nommées photons. Mais la théorie ondulatoire reste vraie pour représenter la propagation de la lumière. Il existe donc deux théories, à priori contradictoires, qui expliquent les phénomènes lumineux.

FOURIER Joseph (1768-1830)

Professeur de mathématiques à l’Ecole Polytechnique. Il élabore une théorie analytique de la chaleur (1822), des études sur la chaleur rayonnante et sur la température de la terre et son refroidissement. Les approximations étaient totalement erronées. Elles ne dépassaient guère une centaine de milliers d’années à la fin du XIX° siècle. Il faut attendre la datation radioactive au potassium pour se faire une idée précise de l’âge de la terre. On retient de lui la transformation qui porte son nom pour exprimer un signal périodique complexe peut être représenté par une série infinie de fonctions trigonométriques.

BIOT Jean-Baptiste (1774-1862)

En 1804 il participa à l’ascension en ballon de Gay-Lussac, à la mesure du degré au Baléares (1806), à la longueur du pendule à Bordeaux (1808), aux îles Shetland (1817), à la variation de la pesanteur sur un parallèle entre l’Italie et l’Espagne (1824). En optique, Biot invente un polarimètre à réflexion ; en 1815, il découvre le pouvoir rotatoire des liquides sucrés (il fait les liens avec le diabète) ; il mesure avec Arago les indices de réfraction des gaz et il étudie l’achromatisme des lunettes en 1842…

Malus a découvert la polarisation de la lumière (à travers un cristal bi-réfringent) et il a établit sa loi sur l’intensité transmise par un rayon polarisé (il soupçonné des liens avec le magnétisme). Brewster invente un polarimètre (1843), un stéréoscope par réflexion (1844) et un kaléidoscope.  Il donne les lois de la polarisation rotatoire, il a étudié les raies spectrales (1817) et obtenu des franges d’interférences (avec des surfaces cannelées). Arago était un ami intime de Fresnel ; on peut s’interroger sur le sens de leur discussion de salon…

HERSCHEL J. (1792-1871, fils de)

Il a étudié le premier le spectre infrarouge par l’évaporation d’un liquide volatil sur du noir de fumée (1840). Babinet invente un hygromètre (1824), le robinet à trois voies des machines pneumatiques, le goniomètre (mesure des indices de réfraction) à collimateur, un compensateur pour les rayons polarisés et le système de projection holographique (qui conserve la phase du signal électromagnétique)… Melloni utilise la pile thermo-électrique à l’étude des radiations calorifiques (1851), il étudie la chaleur rayonnante et donne les propriétés du corps noir.

FOUCAULT Léon (1819-1868)

Fils d’un libraire éditeur (d’une certaine aisance financière), il manifeste rapidement (à 13 ans) des capacités expérimentales pour la construction de petits systèmes avec lesquels il pouvait jouer : bateaux, télégraphe (de l’église Saint Sulpice qu’il aperçoit de sa chambre), machine à vapeur… Peu docile et peu studieux, il obtient difficilement le baccalauréat. Il entame des études en médecine mais il ne supporte pas la vue du sang. Il devient donc préparateur des cours de microscopie du professeur Donné, et il invente, en 1844, le régulateur automatique du microscope photoélectrique utilisant la lumière de l’arc de charbon. Par opportunisme et sans formation scientifique initiale, il accepte la proposition de Donné pour faire les comptes rendus (dans le Journal des Débats) des séances expérimentales de l’Académie des Sciences. Ch Fabry disait de lui : « il ne savait rien mais il comprenait tout ». D’après les gens qu’il côtoyait, Foucault est antipathique, impertinent et d’une absence totale de souplesse et de complaisance dans ses relations humaines. A propos de son attitude avec les femmes, le Dr A. Donné les rassurait en disant : « il n’est pas aimable, mais vous pouvez comptez sur lui… ».

Après une entente fructueuse avec Fizeau dans le domaine de l’optique, les deux « scientifiques amateurs » se séparent en 1849. Il est deux heures du matin lorsque Foucault écrit d’une main émue ces quelques mots : « Mercredi 8 janvier 1851 : le pendule (installé dans sa maison) a tourné dans le sens du mouvement diurne de la sphère céleste. » Pourtant, selon les théoriciens de l’époque, ce mouvement était trop imperceptible pour être matérialisé. Après cette preuve irréfutable, Malgré cela, l’église catholique n’accepte toujours pas cet état de fait qui contredit les dires de la Bible. Il faut attendre 1969 pour que l’église accepte la rotation de la Terre autour du soleil.le monde entier veut « voir tourner » la Terre et des expériences sont reproduites à Reims, à Rennes, à Oxford, à New-York, Dublin, Genève, Rome, dans l’île de Ceylan, à Rio de Janeiro…

Comme un juste retour des choses, Foucault reçoit les honneurs qu’il mérite :

  • Légion d’honneur (1851).
  • Doctorat es sciences (1853) qu’il obtient de justesse, certains pensent que le chimiste J.-B. Dumas (appartenant au jury) se venge, par un feu croisé de questions, pour déstabiliser Foucault et démontrer ainsi qu’un autodidacte ne peut atteindre le niveau des « véritables acteurs » de l’Académie des Sciences.

FIZEAU Hippolyte (1819-1896)

Il était le fils d’un professeur à la Faculté de médecine de Paris. Destiné aux études médicales, il s’en écarte rapidement pour se concentrer sur l’amélioration des systèmes photographiques. Foucault vint lui demandait conseil et les deux hommes se lient d’amitié. En 1845, ils obtiennent la première image du soleil, c’est la naissance de la photographie astronomique. De cette coopération résulte des découvertes sur la polarisation chromatique, sur le spectre infrarouge et les interférences.

Fizeau a réalisé la première photo du soleil :