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Deux millénaires pour en connaître un rayon sur la lumière

Dans l’Antiquité, la lumière sortait littéralement par les yeux des premiers penseurs grecs ou leur en mettait plein la vue – des idées qui paraissent surprenantes aujourd’hui ! C’est pourtant Euclide qui fera émerger l’optique géométrique. Elle ne cessera de progresser jusqu’à la Renaissance.

Deux millénaires pour en connaître un rayon sur la lumière

Légende 1 > Le filtrage de la lumière du Soleil par des nuages montre que la lumière se propage en ligne droite, ce qui justifi e l’expression « rayons du Soleil » et d’une façon générale le concept de rayon lumineux sur lequel est fondée l’optique géométrique.

 

La lumière ? Un « feu » visuel sortant de l’oeil et s’en allant toucher les objets. Le cerveau fécond d’où surgit cette étrange idée est celui du philosophe grec Empédocle (490-430 environ avant notre ère). Celui que Nietzsche décrivait comme la « figure la plus haute en couleur de la philosophie antique » était un original : il s’habillait de vêtements pourpres avec une ceinture d’or, des sandales de bronze et une couronne delphique, et selon la légende se suicida en se jetant dans le cratère de l’Etna.

Ce philosophe imagina en outre que, symétriquement au « feu » visuel, un flux dirigé de l’extérieur vers l’intérieur venait porter la forme et la couleur des objets dans l’oeil. On retrouve l’idée de rayons visuels issus de l’oeil chez les pythagoriciens, tandis que les atomistes, Leucippe et son célèbre disciple Démocrite, reprirent l’hypothèse d’émanations par les corps : selon eux, la réplique fidèle d’un objet – ou simulacre –, constituée d’atomes, se détachait et se propageait jusqu’aux yeux. Platon et Aristote dissertèrent également sur la vision. En absence d’instrument scientifique, tous ces philosophes ne possédaient que leurs yeux pour observer la lumière. La vision était donc au centre de leurs théories sans qu’il fût question de la nature propre de la lumière. C’est ainsi que l’adjectif optique vient du grec optikos, « relatif à la vue. Devenue un nom féminin (du grec optikê et du latin optice), l’optique désignera par la suite la science qui a pour objet l’étude de la lumière, de ses lois et de leurs relations avec la vision.

 


L’ESSOR DE L’OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE

Grand esprit, Euclide (vers 300 avant notre ère) adopta lui aussi le concept de rayons visuels issus de l’oeil. Raisonnant en termes mathématiques (il passera à la postérité pour ses travaux en géométrie), il postula que la lumière se propage suivant des lignes droites, les « rayons lumineux » (> 1), formant un cône dont le sommet est le centre de l’oeil. L’optique géométrique était née –  certes sur un malentendu, mais tout de même. Euclide jeta les bases de la discipline en décrivant la réflexion des rayons sur des miroirs plans, convexes et concaves, et en étudiant le phénomène de réfraction, autrement dit le changement de direction de la lumière à la frontière de deux milieux, l’air et l’eau par exemple.

2 > En raison du phénomène de réfraction, on voit une triple image de ce coquillage inclus dans un bloc en résine acrylique (plexiglas), sous un certain angle à chaque fois.

 

Tandis que les civilisations grecque et romaine déclinaient, la science arabe se développait de façon remarquable. En particulier, Ibn al-Haytham (965-1039), scientifique perse, plus connu sous le nom d’Alhazen, s’illustra par ses travaux sur la vision et sur la lumière qui, selon lui, existe indépendamment de la vision. Réfutant l’idée du « feu intérieur », il affirma que la lumière provient des objets et pénètre dans l’oeil. Fondées sur une approche expérimentale solide, les idées d’Alhazen s’imposèrent rapidement en Occident dès le xiie siècle.

À l’instar de nombreuses sciences, l’optique géométrique connut un essor considérable à la Renaissance où l’apport de l’astronome allemand Johannes Kepler (1571-1630) fut essentiel. Schémas de rayons lumineux à l’appui, il expliqua dans son ouvrage Dioptrique, publié en 1611, comment fonctionne le système de lentilles qui équipe une longue-vue. Une invention que le physicien italien Galilée (1564-1642)  perfectionna pour en faire une lunette astronomique avec laquelle il confirma que la Terre tourne autour du Soleil, tout en se livrant à bien d’autres observations de première importance…

 

LA RÉFRACTION DE LA LUMIÈRE ENFIN COMPRISE

L’intérêt des scientifiques pour le phénomène de réfraction (> 2) ne faiblit pas jusqu’au xviie siècle. Qu’a l’eau de si particulier pour qu’un bâton qui y est plongé apparaisse brisé ? Selon quel angle précis un rayon lumineux sort-il d’une lentille ? La loi de la réfraction fut découverte successivement et indépendamment par l’Anglais Thomas Harriot (1602), le Hollandais Willebrord Snell  van Royen (1620), et le Français René Descartes (1637), mais ce dernier fut le premier à publier la loi. Puis, en 1657, le mathématicien français Pierre de Fermat en comprit l’origine et la formula d’une manière qui devait paraître un peu magique à l’époque : « La nature agit toujours par les voies les plus courtes. » Selon lui, le parcours de la lumière minimisait le temps pour aller d’un point A du premier milieu à un point B donné du second. Par conséquent, si le bâton paraissait déformé par l’eau, c’est simplement parce que la lumière s’y propageait moins vite que dans l’air.  Le principe de Fermat sera par la suite généralisé à bien d’autres domaines que l’optique, et en particulier à la mécanique par Pierre Louis Moreau de Maupertuis, un siècle plus tard. Baptisé  principe de moindre action, il deviendra l’une des pierres angulaires de la physique.
 

 

Une belle histoire de la lumière et des couleurs

Ce post est issu de l'ouvrage écrit par Bernard Valeur "Une belle histoire de la lumière et des couleurs" publié par les Editions Flammarion.
Vous pouvez retrouver les articles de la série #Histoires de lumière, publiés par C-YourMag en partenariat avec Flammarion, à cette adresse.
Pour découvrir le livre, voici la présentation sur le site des Editions Flammarion