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La lumière se comporte bien comme une onde...

Au début du XIXe siècle, on assiste à des avancées spectaculaires : finalement, la lumière est bel et bien constituée d’ondes. Reste une question majeure : de quelle nature sont ces ondes ? Le voile finira par être levé.

La lumière se comporte bien comme une onde...

Le feuilleton continue. Alors que les idées de Newton continuent à faire autorité près d’un siècle après la parution de son ouvrage Opticks en 1704, une expérience réalisée à l’aube du XIXe siècle va ébranler les convictions des partisans de la nature corpusculaire de la lumière. Son auteur est le médecin anglais Thomas Young (1773-1829). Connue sous le nom d’« expérience des fentes d’Young », c’est encore aujourd’hui l’une des plus citées dans la littérature scientifique en physique. Pas un physicien n’en ignore le principe. Et pour cause, il est simple comme bonjour.

 

LUMIÈRE + LUMIÈRE = OBSCURITÉ !

En 1801, Young perce un cache de deux trous très fins et l’éclaire avec une source lumineuse ponctuelle. Qu’observe-t-il alors sur un écran placé derrière le cache ? Non pas deux taches lumineuses comme on pourrait logiquement s’y attendre, mais une alternance de bandes lumineuses et sombres, des franges en quelque sorte. Encore plus surprenant, lorsqu’on masque un des trous, les bandes s’évanouissent. Ainsi, en ajoutant de la lumière à la lumière, tantôt on l’exalte, tantôt on l’éteint, créant alors de l’obscurité à partir de la lumière même !


Diffraction et interférences. La lumière blanche passant par des fentes ou des trous très fins (en encart en haut à droite dans chaque cadre) produit sur un écran des images colorées. Seule la nature ondulatoire de la lumière explique ces figures. (Extrait de l’ouvrage d’Amédée Guillemin, La Lumière, Hachette, 1882).

 

Comment est-ce possible ? Pour l’expliquer, Young s’appuie sur l’hypothèse d’Huygens qui associe lumière et ondes. Jetez deux cailloux dans l’eau et observez ce qui se passe quand les deux faisceaux de rides circulaires se rencontrent. En certains points, les rides se renforcent ; en d’autres points, elles s’annihilent. En un mot, les ondes sur l’eau interfèrent. Young pense qu’un phénomène analogue est à l’origine des franges qu’il a observées. Mais cela suppose évidemment que la lumière soit faite d’ondes. Young remet ainsi en cause la conception corpusculaire de Newton. Toutefois, la théorie qu’il élabore s’avérera incomplète et il en faudra davantage pour persuader ses contemporains.

 

LE TRIOMPHE DE LA THÉORIE ONDULATOIRE

Le Français Augustin Fresnel (1788-1827) saura se montrer, lui, beaucoup plus convaincant dans sa défense de la nature ondulatoire de la lumière. Il publie en 1816 la première théorie complète de l’optique ondulatoire. Il explique quantitativement les résultats obtenus par les scientifiques qui ont exploré les phénomènes de diffraction et d’interférences. Si Fresnel met alors un terme au débat engagé depuis les Grecs, on ignore toujours de quoi sont faites ces fameuses ondes.

L’Écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) fera un pas décisif en 1865 en cherchant à unifier l’électricité et le magnétisme. Il montre qu’un champ électrique et un champ magnétique peuvent osciller de concert et se propager sous la forme d’ondes appelées ondes électromagnétiques.

 

Ondes électromagnétiques. Ce que nous appelons lumière n’est qu’une toute petite partie des diverses ondes électromagnétiques : celles auxquelles notre oeil est sensible et dont les longueurs d’onde vont de 0,4 à 0,7 micromètre (μm), ou 400 à 700 nanomètres (nm) environ (1 micromètre = 1 millionième de mètre ; 1 nanomètre = 1 milliardième de mètre).

 

D’après sa théorie – l’un des monuments de la physique –, ces ondes se propagent à la même vitesse que… la lumière. Quelle coïncidence ! Et si la lumière faisait partie de ces ondes ? C’est ce que le physicien allemand Heinrich-Rudolf Hertz (1857-1894) démontrera avec brio en 1885.  Hertz parvient à produire des ondes électromagnétiques et il établit que les lois les régissant s’avèrent en tous points semblables à celles de la lumière en optique. Est-ce le dernier chapitre d’une controverse millénaire ?
Non car l’Histoire réserve encore bien des surprises…

 

Augustin Fresnel,
Un savant brillant et modeste

Au nom de Fresnel est associée la démonstration définitive que la lumière se comporte comme une onde. Ce héros de l’aventure « ondulatoire » est né à Chambrais en 1788, une commune du département de l’Eure qui devint au xviiie siècle le fi ef de l’illustre famille piémontaise de Broglie, dont il prit alors le nom. Étrange coïncidence puisque Louis de Broglie émit l’hypothèse de la dualité onde-corpuscule, deux cents ans après la mort de Fresnel. Jeune ingénieur des Ponts et Chaussées, Fresnel se déclare contre Napoléon au retour de l’île d’Elbe en 1815 ce qui lui vaut d’être destitué de son emploi et assigné à résidence dans un petit village près de Caen. Il consacre alors tout son temps à l’optique et développe sa remarquable théorie de l’optique ondulatoire. On lui doit également diverses inventions pratiques dont la lentille à échelons qui équipera progressivement tous les phares… et les vitres arrière de nos bus actuels. Fresnel s’est spécialisé en optique, contrairement aux savants de son époque qui abordaient plusieurs domaines. Il meurt de la tuberculose en 1827 à l’âge de 39 ans.

 

 

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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

 

 

 

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