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Analyse

La lumière, toute une histoire...

L'année 2015 a été proclamée année internationale de la lumière. L'occasion de revenir sur l'histoire de ces théories et découvertes scientifiques qui ont déchaîné les passions pendant presque 25 siècles...

L'antiquité


C'est au 3e siècle avant notre ère que les grecs s'intéressent véritablement aux questions liées à la lumière et à la vision. La science de l'optique va voir le jour avec le Traité d'optique d'Euclide.

Cependant, avant l'ère hellénistique à proprement parler, on trouve chez les Présocratiques, Platon et Aristote des tentatives de théorisation des phénomènes lumineux.


Jusqu'à Aristote, la nature de la lumière est conforme à la représentation poétique d' Homère. Elle apparaît comme un type de feu particulier dont la spécificité est, pour Héraclite et Empédocle, d'être continu.
Chez les atomistes, il est conçu comme un amas de corpuscules en mouvement. Platon reprend cette description dans le Timée où la lumière est un feu constitué par des traînées de tétraèdres imperceptibles pour les yeux et se déplaçant à grande vitesse.
Pour Empédocle, Démocrite ou Platon, la lumière émerge des sources incandescentes mais également des yeux.


Contrairement à cette conception de la lumière matérielle qui se propage avec une vitesse finie, la lumière chez Aristote est instantanée. Il n'est plus question ici d'ensembles de corpuscules projetés par les sources lumineuses.
Elle se définit comme l'expression d'une modification du milieu qui abrite la source émettrice et le sujet observant. Aristote a une vision dynamique de la lumière.

A l'ère hellénistique et au début de l'époque alexandrine, les deux grands textes de références sur la lumière et la vision sont : le Traité d'optique d'Euclide et l'Optique de Claude Ptolémée.
Pour ces auteurs, la lumière ne peut avoir d'existence propre et indépendante. Elle est liée à la vision de l'observateur et se définit géométriquement comme des rayons rectilignes émis par l'œil. Cette représentation est dans la continuité des thèses de Platon et va perdurer pendant à peu près toute l'époque médiévale.

Vers l'an mille, Alhazen, savant perse, rédige le Traité d'optique qui sera traduit en latin deux siècles plus tard. Ses travaux précèdent certaines découvertes des scientifiques européens de la Renaissance. Il a, notamment, prouvé que tous les objets reflètent la lumière et que les rayons lumineux frappent l'œil de l'observateur.

La Renaissance et l'époque moderne


A la fin du 16e siècle, le développement de l'optique dans les domaines pratiques bat son plein avec la mise en évidence des propriétés des lentilles et par extension la découverte du télescope. Les interrogations autour de la nature de la lumière réapparaissent et les savants se demandent si la lumière est un corps ou la manifestation du mouvement d'un corps.

C'est Descartes qui relance le sujet autour de la nature de la lumière et s'interroge sur le rôle du milieu qu'elle traverse. Les lois de Snell-Descartes marquent en 1625 une avancée considérable dans le développement de l'optique. Descartes, contrairement à Galilée considère que la propagation de la lumière est instantanée. Il faudra attendre les travaux de Rømer en 1676 pour parvenir à une première approche de la vitesse de la lumière.

En 1676, Christian Huygens, dans son Traité de la Lumière, montre que les lois de Snell-Descartes ne peuvent être validées que si l'on considère la lumière comme une onde qui se propage de manière rectiligne. Il s'oppose à la théorie de Newton qui, lui, préfère la conception corpusculaire et détermine la nature de la lumière comme un ensemble de grains en mouvement.

Fort de ces succès de l'époque, Isaac Newton emporte la victoire de cette bataille scientifique en publiant Opticks en 1704.
A l'aide du prisme, Newton parvient à décomposer la lumière et fait apparaître le spectre de la lumière blanche. Les sept couleurs qu'il met ainsi en évidence sont, selon lui, liées à la taille des grains de lumière qui les constituent.
Sa théorie corpusculaire vient éclipser la conception ondulatoire de Huygens qui sera abandonnée jusqu'au début du 19e.

Les 19e et 20e siècles


A partir des années 1800, les physiciens Thomas Young et Augustin Fresnel reprennent et expérimentent la théorie ondulatoire de Huygens.
Le développement de la spectroscopie permet d'étendre les recherches sur la relation entre rayonnement et matière sur un plus large champ que celui du visible. On conclut, ainsi, par une série d'expériences sur les effets thermiques des corps et sur les actions chimiques des sels d'argent, à l'existence d'ondes invisibles : l'infrarouge et l'ultraviolet.

En 1864, James Clerk Maxwell établit à travers ses équations – les équations de Maxwell- la relation entre champ électrique et champ magnétique. La vitesse des ondes qu'il mesure alors est étonnamment proche de celle de la lumière...
La conclusion de Maxwell sera donc que la lumière est une onde électromagnétique qui appartient au spectre électromagnétique et n'en est qu'une partie, la partie visible. Elle se déplace à une vitesse finie d'environ 300 000 km/s.
 

Image du spectre électromagnétique
Illustration du spectre électromagnétique [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons, 2006


Cependant, pour l'époque, il est absolument nécessaire de considérer la propagation d'une onde dans un milieu. Pour la lumière, c'est l'éther qui apporte cette solution.
L'éther devient alors un référentiel absolu pour mesurer la vitesse des objets en mouvement.

De 1881 à 1887, Michelson et Morley tentent une série d'expériences pour mesurer la vitesse de la terre par rapport à l'éther. Tous les résultats viennent contredire les effets attendus. Devant les résultats contradictoires avec les théories de l'époque, les physiciens commencent à douter de l'existence véritable de l'éther.

A la fin du 19e, Lorentz et Poincaré vont établir les formules mathématiques permettant de retrouver les résultats expérimentaux de Michelson et Morley. La vitesse de la lumière est alors définie comme identique dans toutes les directions et ne pouvant être dépassée.
La communauté scientifique commence à avoir l'intuition d'une nouvelle mécanique.

En 1905, année miraculeuse de la physique, Einstein dans son article « Sur l'électrodynamique des corps en mouvement » remet en question l'existence de l'éther. Il réfute cette notion de référentiel absolu qui s'oppose aux théories mécaniques classiques de Newton où tous les référentiels se valent.
Einstein pose l'idée que la lumière se propage dans la vide de manière constante et ce quelque soit le référentiel. Pour le démontrer, il doit instaurer une nouvelle théorie qui vient répondre à toutes les questions laissées en suspens.
C'est ainsi qu'il formalise une nouvelle théorie de l'espace et du temps : la théorie de la relativité restreinte où seule la vitesse de la lumière devient le référentiel absolu.




La même année, Einstein va reprendre la conception corpusculaire de la lumière en s'intéressant à l'effet photoélectrique.
Il reprend les études conduites par Max Planck en 1900 sur le rayonnement du corps noir. Il part du constat que selon les fréquences du rayonnement de la lumière projetée sur un métal, il n'y a pas toujours de champs électrique émis.

Cette observation est inexplicable si l'on se fie à la conception de Maxwell qui veut que la lumière soit seulement une onde électromagnétique de densité d'énergie proportionnelle à son intensité lumineuse. Théoriquement, il est donc possible d'accumuler autant d'énergie que l'on souhaite en exposant simplement le métal le temps nécessaire.

Pour expliquer cette contradiction entre théorie et observation, Einstein va reprendre l'idée du seuil d'énergie proposée par Planck pour résoudre l'énigme du corps noir et posée mathématiquement par la constante de Planck ou quantum d'action. Ces découvertes en thermodynamique seront à l'origine de la mécanique quantique.




Einstein explique alors simplement que cet effet photoélectrique est dû à la nature de la lumière faite de quanta – plus tard appelés photons. L'énergie du photon est liée à la fréquence du rayonnement et non à son intensité. Il faut une fréquence suffisante -seuil- pour qu'un photon renferme assez d'énergie.
Cette découverte sur l'effet photoélectrique lui vaudra le prix Nobel de Physique en 1921.

La lumière redevient corpusculaire. Mais l'ancienne querelle conceptuelle qui anima Newton et Huygens ne revient pas pour autant sur le devant de la scène car l'aspect ondulatoire de la lumière demeure.
En 1923, Louis de Broglie pose clairement l'hypothèse de la dualité onde-corpuscule de la lumière. C'est l'interaction avec la matière qui la fait apparaître tantôt sous la forme ondulatoire, tantôt sous la forme corpusculaire. Elle apparaît comme une onde constituée de photons eux mêmes définis par la densité d'énergie qu'ils renferment. Schrödinger met en équation cette hypothèse en 1925 et pose ainsi les bases du formalisme théorique de la mécanique quantique.


 

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mergez : 04/06/2018 10:21
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