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Ce que la lumière fut au XIXème siècle




Pierre et Marie Curie.
Pierre et Marie Curie.
Nous avons donné un tel intitulé à cet article après celui du XVIIème siècle, pour la simple raison est que le XVIIIème siècle n’a apporté aucune expérience nouvelle, aucun travail qui puisse permettre d’avancer dans la voie des études de la lumière. Seuls quelques maigres travaux ont vu le jour, mais sans grande influence sur les résultats fondamentaux réalisés par Huygens et Newton. Il s’agit notamment de :
  - La contribution de l’Anglais Hall, qui a démontré en 1723 la possibilité de réaliser des objectifs achromatiques par superpositions de lentilles polies dans des verres différents et convenablement choisis. C’est une découverte qui permet de s’affranchir de la grande difficulté de construction des instruments optiques et surtout la remise en cause de la théorie corpusculaire de Newton.
  - En 1747, Euler qui ne connait pas les travaux de Hall, a démontré expérimentalement que la dispersion n’est pas proportionnelle à l’indice de réfraction et de là on peut facilement construire des objectifs achromatiques. Par ce travail, Euler a voulu donner à son tour la preuve du défaut de la théorie corpusculaire newtonienne.
  - En 1757, un autre Anglais, J. Dolland, parvint à construire effectivement ces objectifs achromatiques avec comme seule conséquence : le monde scientifique s’est laissé admettre que Newton s’est trompé sur le plan expérimental.
  - En 1744, Maupertuis, mathématicien français, a voulu mettre en défaut le principe de Fermat en cherchant un principe compatible avec la loi newtonienne. Pour cela, il définit la quantité d’action pour affirmer que  le chemin que tient la lumière est celui par lequel la quantité d’action est moindre. Fort de cette analyse, Maupertuis a estimé logique d’étendre son principe au domaine de la dynamique. Les conséquences tirées sont ensuite généralisées par Euler et ont permis d’englober tous les chocs élastiques et non élastiques dans une même description, qui est le principe de moindre action, encore retenu actuellement.
 C’est tout ce qu’a donné le XVIIIème siècle à la science de la lumière; c’est un siècle au cours duquel les études de la lumière ont stagné : c’est un siècle  qualifié de vraie panne d’optique, au point même que le phénomène de diffraction de Grimaldi est rentré dans l’oubli.
 Par contre, le XIXème siècle va connaître un sursaut d’un nouveau genre en matière d’étude de la lumière, jusqu’au point d’être considéré comme siècle des sciences de la lumière ou plus simplement le siècle des lumières. Tout au début de ce siècle, une science fut véritablement à la mode : la cristallographie. Cette science qui a laissé les chercheurs intrigués et perplexes,  à cause de cette calcite découverte par le Danois E. Bartholin, si abondante, si diverse, si transparente, qui dédouble les images des objets sur lesquels elle est placée.

  Le prisme de Wollaston
En 1806, le physicien anglais Wollaston conçoit un prisme rectangulaire comme instrument d'optique : il transforme un faisceau de lumière non polarisée en deux faisceaux de directions différentes, et de polarisations linéaires orthogonales entre elles. Ce prisme est constitué de deux prismes triangulaires de calcite accolés, dont les axes optiques sont orthogonaux entre eux. L'écart angulaire entre les deux faisceaux sortants est déterminé par l'angle au sommet des deux prismes et par la longueur d’onde de la lumière incidente.
Les deux faisceaux recueillis étant orthogonaux, ne peuvent donc pas interférer entre eux directement. Mais on peut les faire interférer en les décomposant sur une direction intermédiaire.
Les calculs faits sur ce type de prismes sont surprenants : les valeurs obtenues concordent exactement avec les valeurs que donne la théorie ondulatoire de Huygens. C’est l’une des  premières mesures expérimentales qui contredit la théorie corpusculaire de Newton.
Dès l’annonce de ce travail l’Institut de France lance un concours en 1808 sur la question de la double réfraction, avec l’attribution d’un prix à qui donnera «une théorie mathématique vérifiée par l’expérience, qui explique le phénomène de double réfraction que subit la lumière en traversant diverses substances cristallisées. ». Il y a Malus parmi les candidats en tant que polytechnicien et ancien membre de cet Institut, passionné d’optique et ami de Laplace qui est un irréductible newtonien.
A l’aide de ses expériences, il a réalisé que Huygens avait raison, et la question pourquoi Newton dédaigne l’hypothèse des ondes jusqu’au point de l’avoir combattue et terrassée par ses théories, a bien été soulevée. Il a enveloppé dans le même jugement la loi, l’expérience et les explications qui semblaient l’appuyer. En somme la mauvaise foi de Newton est donc reconnue, mais étant adepte avec son ami Laplace de la théorie newtonienne, ils l’excusent.   
L’explication de ces expériences ont entraîné l’adhésion de la majorité des physiciens et valent à Malus le prix offert par l’Institut. Mais Malus laisse derrière lui un bon nombre de questions qui restent posées sur la nature des forces répulsives s’exerçant parallèlement ou perpendiculairement à la surface de séparation. Ce sont des questions auxquelles il n’a pas pu répondre.

Deux nouveaux opposants au modèle newtonien : Young et Fresnel
En 1804, T. Young (1773-1829) s’est montré peu impressionné par l’autorité scientifique de Newton, décide de rejeter sa théorie. Ses expériences sur les interférences de la lumière lui ont permis de rédiger son « Manuscrit naturel » dans lequel il a démontré que la localisation des franges en formes d’hyperboles colorées, est en parfait accord avec la théorie de Huygens. L'apport de Young au domaine de l'optique est sans doute son plus grand motif de célébrité, en particulier sa célèbre expérience de la double fente. Il fait passer un faisceau de lumière à travers deux fentes parallèles, et le projette sur un écran. La lumière produit sur l'écran des franges d'interférences, c'est-à-dire une alternance de bandes éclairées et non-éclairées. Young en déduit la nature ondulatoire de la lumière.
Après la publication de ses résultats en 1804, la réplique ne s’est pas fait attendre. Le monde scientifique s’est en effet déchaîné contre lui, jusqu’à être insulté par Lord Brougham, président des Chambres des pairs, futur Lord Chancelier.
C’est le tour des œuvres d’Augustin Fresnel qui vont faire surface en France. En effet, ce dernier s’est beaucoup consacré à la remise en cause de la théorie corpusculaire, et s’est mis à étudier les phénomènes vibratoires, et croit bientôt pouvoir expliquer de façon précise la réflexion, la réfraction et la propagation au moyen de la théorie des ondes.
En 1819, l’Académie des sciences, réhabilitée sous l’Empire, annonça l’ouverture d’un concours comme pour la polarisation gagné par Malus, sur le sujet suivant : « Les phénomènes de diffraction ont été ces derniers temps l’objet de recherches pour de nombreux physiciens... ». Ceci a conduit l’Académie à proposer cette recherche... en la présentant de la manière suivante : « 1- Déterminer tous les effets de la diffraction des rayons... directs et réfléchis quand ils passent près des extrémités d’un corps. 2- Déduire de ces expériences au moyen de l’induction mathématique, les mouvements des rayons dans leur passage près des corps. ».
Une des deux réponses est de taille; volumineuse de forme, de contenu précis et engagé, fort argumentée en mathématiques. C’est l’œuvre de Fresnel qui s’est appuyé sur une théorie ondulatoire parfaitement expliquée, qui démontre l’impossibilité de la théorie corpusculaire. Ce travail appelé aujourd’hui en partie Principe de Fresnel, se généralise aussi au travail de Huygens dans un grand principe que nous enseignons en cycle de licence de physique sous le titre : Principe de Huygens-Fresnel.
Fresnel obtint le prix en novembre 2019, après quatre ans de travail acharné, il réalisa son programme qui était de condamner la théorie newtonienne. Poisson s’est rallié avec lui même si c’est fait avec du retard, mais Biot a continué à enseigner les conceptions de Newton à l’Ecole Polytechnique jusqu’à la fin de ses jours.
En travaillant plus de trois années avec F. Arago, il a enrichi  l’optique de nombreuses lois expérimentales et de dispositifs de focalisation (miroirs, réflecteurs appelés encore concentrateurs, utilisés dans la conversion photothermique ou dans les phares d’automobiles), précisent des propriétés qu’exercent les minéraux sur la lumière. Mais il n’est pas arrivé  à expliquer la polarisation, car il n’a pas osé revenir sur l’hypothèse de la transversalité.
Pendant ce temps-là, les newtoniens vivaient la crise de la théorie corpusculaire, et s’attendaient à ce qu’une expérience cruciale pût trancher entre les deux théories.
En 1849 Foucault et Fizeau, indépendamment l’un de l’autre, réalisent cette expérience cruciale : la vitesse de la lumière est inversement proportionnelle à l’indice de réfraction; la théorie corpusculaire doit être définitivement abandonnée. Comment sont décrites ces deux expériences?
Expérience de Foucault
En parlant de l’expérience de Foucault, elle est basée sur la méthode des miroirs tournants, aussi bien la mesure de Römer que celle de Bradley trouvaient leur limite dans la connaissance incertaine du diamètre de l’orbite terrestre. Conscient de cette insuffisance, Léon Foucault, qui s’est déjà fait connaître pour différents travaux sur la lumière, a pu faire une mesure de laboratoire de la vitesse de la lumière qui permettrait en retour d’améliorer l’estimation de l’orbite terrestre.
L’expérience de Foucault consiste à réaliser dans la salle de la méridienne de l’Observatoire de Paris, l’envoi d’un rayon lumineux du soleil sur un miroir tournant, qui le réfléchit sur un autre miroir concave fixe, et  qui le renvoie à son tour  vers le premier miroir tournant. Cette méthode a permis à Foucault de donner pour la vitesse de la lumière la valeur de 298.000 kilomètres à la seconde, proche de la valeur actuellement admise. 
 Expérience de Fizeau
L’expérience de Fizeau est basée sur l’utilisation d’une roue dentée mise en rotation tout en recevant un rayon lumineux d’une source. Ce rayon est réfléchi par un premier miroir semi-transparent,  parcourt la distance fixée, se réfléchit encore sur un autre miroir lointain, parcourt à nouveau la distance fixée, et arrive à nouveau sur la roue dentée. Mais celle-ci, entretemps, a légèrement tourné : la lumière réfléchie peut tomber sur une dent et donc être bloquée, ou passer par une échancrure qui suit.
Mesurant la distance parcourue par la lumière et connaissant le temps mis pour parcourir cette distance, Fizeau a pu calculer la vitesse de la lumière, et obtint une valeur de 315.300 kilomètres par seconde. Ce qui ne représente que 5% d'erreur, la vitesse étant d'un peu moins de 300.000 km/s.
Electricité et magnétisme
Les physiciens du XVIIIème siècle ont commencé à étudier les effets électriques et parviennent à en faire des comptes rendus grâce à la théorie de la mécanique newtonienne. La première moitié du XIXème siècle a connu des nouveautés qualitatives dans toutes les autres branches de la physique et en particulier la thermodynamique, l’électricité et le magnétisme. Mais il faut signaler tout de même un petit héritage datant des XVIIème et XVIIIème siècles revenant aux deux dernières branches, qui vont être d’un grand intérêt pour l’élaboration de l’électromagnétisme qui va englober aussi la lumière.
En 1814, le physicien danois Oersted découvre la relation entre électricité et magnétisme, et fit la constatation suivante : le courant électrique produit par une pile dévie l’aiguille d’une boussole.
L’interprétation avancée par Oersted trop cartésien, a été peu convaincante car c’est  encore un de ces nouveaux phénomènes qui vient secouer la théorie de la mécanique newtonienne. En septembre 1820, Ampère apprend les expériences d’Oersted, et une semaine après, il les a déjà complétées, systématisées et bien expliquées. Il a donné la preuve que les courants électriques ont des actions à la fois électriques et magnétiques.
Il reste maintenant à expliquer la force qui s’exerce sur la boussole.

 Naissance de l’électromagnétisme de Faraday
Michael Faraday, un physicien anglais qui n’est pas imprégné par la physique newtonienne, va renouveler profondément la manière dont a été posé le problème. A l’aide de moyens simples, Faraday définit l’ensemble des actions produites par l’aimant, décrit ce qui sera appelé champ de forces ou encore champ magnétique.
Faraday va faire d’autres constatations : Le courant électrique devient l’équivalent du champ magnétique du fait que ce même courant est synonyme de la charge en mouvement, soit donc un champ variable. Un courant électrique est désormais le nouveau concept assimilé à la variation du champ électrique comme lignes de forces rectilignes qui convergent tous vers la charge.
Avec son interprétation, Faraday fait ressortir deux modifications par rapport à la physique newtonienne : 1- L’influence déterminante du milieu dans lequel se produisent les phénomènes qui est le même état d’esprit que celui de Young, pour lequel Faraday a beaucoup d’admiration. 2- Il rejette la notion d’action immédiate et à distance qui est une action propre à la gravitation. Les milieux se déforment et n’atteignent l’équilibre qu’au bout d’un certain temps; ce qui paraît comme un lien franc établi avec la démarche cartésienne.
En plein milieu du XIXème siècle, le monde scientifique est donc en face de la nouvelle physique caractérisée essentiellement par un électromagnétisme renonçant à l’action instantanée à distance et par l’optique en quête d’affirmer le caractère transversal de l’onde lumineuse. Les deux disciplines vont être forcées à se comparer d’abord pour se confondre par la suite, et c’est bien l’œuvre de Maxwell qui va s’en charger dès le début de la deuxième moitié du XIXème siècle.

L’électromagnétisme de Maxwell
La deuxième moitié du XIXème siècle a vu s’imposer le jeune prodigue qui est venu finir le travail qu’ont commencé les précédents savants et élaboré la théorie de l’électromagnétisme : C’est J. C. Maxwell. Venant d’une famille de noblesse terrienne écossaise, Maxwell est initié dès son jeune âge par son père à l’indépendance de pensée, à la culture scientifique et industrielle de l’époque. Il lit Young et Newton, reproduit les expériences des franges d’interférences, de la polarisation de la lumière et démontre que toutes les nuances des couleurs peuvent être obtenues de mélange des fondamentales : bleu, vert et rouge.
En 1855, il déposa son premier article intitulé : « Sur les lignes de Faraday», où il dresse le constat d’échec de l’électromagnétisme et annonce que «pour développer une analyse mathématique qui ne s’égare pas dans de vaines subtilités ou se laisser entraîner au-delà des faits par des hypothèses séduisantes», il va mettre au point un modèle de base, pour rendre compte à la fois des faits observés et le décrire en même temps de façon mathématique : «... Un champ électromagnétique résultant des tensions des pressions qui s’exercent sur un fluide… Dans une région où tous les axes des tourbillons sont parallèles, les rotations se font dans le même sens, les pressions sont homogènes et produisent des lignes de forces parallèles entre elles : C’est bien ce qui est observé. ».

 
A travers ce nouveau schéma, il tire trois conséquences : 1- que l’électromagnétisme consiste en la propagation d’une onde et non  une action instantanée; 2- que cette propagation dépend des caractéristiques des milieux traversés (impédances); 3- que l’introduction d’un éther est indispensable.
Après un tel schéma, il lui restait alors d’entreprendre l’analyse mathématique de son analogie, ceci l’amena à idéaliser une manière de caractériser l’effet du champ électrique et le champ magnétique en un point; puis le passage aux points voisins successifs jusqu’à couvrir tout l’espace. Il rend compte de l’évolution du champ électromagnétique, de sa propagation entièrement décrite quantitativement en fonction des caractéristiques du milieu, par des équations devenues célèbres sous son nom : les équations de Maxwell. Maxwell peut donc maintenant calculer la vitesse de propagation de la perturbation électromagnétique, après que les caractéristiques du milieu soient mesurées. La valeur trouvée est approximativement égale à 300.000 kilomètres à la seconde : c’est la vitesse mesurée par Fizeau.
Unification de l’électromagnétisme et de la lumière
L’onde électromagnétique est donc associée à des vibrations transversales, comme la lumière avancée de façon hésitante et incertaine par Fresnel.
Devant cette ressemblance, Maxwell écrit : «L’élasticité du milieu magnétique dans l’air est la même que celle du milieu porteur de la lumière, si toutefois ces deux milieux coexistants, coextensifs, et pareillement élastiques ne sont pas en un seul et même milieu... Il nous est difficile de ne pas conclure que la lumière est constituée par des ondes transversales traversant le même milieu qui produit les phénomènes électriques et magnétiques. ».
Dans son mémoire publié en 1864, il compare les effets d’une onde électromagnétique et ceux de la lumière. Cette comparaison est cruciale : « …. Si on trouve que la vitesse des perturbations électromagnétiques est la même que celle de la lumière, et cela, non seulement dans l’air mais dans les autres milieux transparents, nous aurons de fortes raisons de croire que la lumière est un phénomène électromagnétique, et par la combinaison des preuves optiques et électriques, nous nous convainquons de la réalité de ce milieu, absolument comme le cas des autres espèces de la matière, nous nous convainquons par le témoignage combiné des sens».
En effet, Maxwell applique ses équations de propagation d’une onde électromagnétique aux milieux conducteurs, non conducteurs, opaques, transparents, tous les effets qu’il déduit s’accordent à ceux de la lumière. Tous les phénomènes lumineux peuvent être expliqués à partir de l’onde électromagnétique : la lumière est donc une onde électromagnétique. Tous les résultats, toutes les interprétations proposées par Fresnel peuvent être retenus avec l’ajout du caractère transversal de l’onde qui est la lumière. Le pas est franchi pour avoir deux disciplines totalement différentes rassemblées dans une seule discipline : c’est une unification de taille qui vient de voir le jour.   
Le concept de l’onde électromagnétique en même temps lumineuse n’a été finalisé qu’entre 1865 et 1873 par Maxwell dans ses publications, où il exposa la théorie électromagnétique de la lumière sous forme d’un raisonnement purement mathématique. Décédé en 1879, aucun de ses résultats ne fut admis car aucune vérification ne fut tentée.
Il a fallu attendre 1885 pour que Heinrich Hertz découvre les ondes produites par un dipôle oscillant comme source d’ondes électromagnétiques, décrive leur propagation, prouvant réflexion, réfraction, leur transversalité et même leur longueur d’onde avec la vitesse de propagation déterminée par Fizeau, pour constater que les résultats obtenus  s’incorporent parfaitement à la théorie ondulatoire.
Dipôle oscillant de Hertz
Comme nous l’avons constaté, l’existence des ondes électromagnétiques a été prouvée dès 1865 par Maxwell, et mise en évidence en 1885, soit vingt ans plus tard. Les expériences de Hertz ont été faites dans l’air, pour lequel  permittivité diélectrique et perméabilité magnétique sont voisines de celle du vide.
Le dipôle est constitué de deux tiges isolées l’une de l’autre, et terminées chacune par deux boules : une grosse visible et une petite moins visible. Un condensateur assurant la charge-décharge est relié à une bobine d’induction dite de Ruhmkoff, pour assurer l’alimentation de l’ensemble du dipôle. Lorsque la tension est appliquée aux bornes, l’éclateur formé des deux petites billes (quelques dizaines de milliers de volts), une étincelle éclate entre ces deux petites billes et ferme le circuit. La tige joignant les deux grandes billes est alors le siège d’oscillations de haute fréquence (chaque fréquence est déterminée par les dimensions géométriques du circuit). On excite ainsi les oscillations propres d’un circuit oscillant qui se referme dans l’air par les courants de déplacement.
Hertz a réalisé une série d’expériences avec des ondes de longueurs d’onde : 7,50 mètres; 4,80 mètres et 0,60 mètre. Ces expériences ont mis en évidence : 1- l’existence de ces ondes, appelées depuis ondes hertziennes; 2- le caractère transversal et l’orthogonalité des vecteurs champs électrique et magnétique; 3- l’identité de nature entre les ondes électromagnétiques et la lumière.
La même expérience est réalisée avec des ondes lumineuses donnant un minmum de lumière sur le miroir, c’est bien le vecteur d’onde qui constitue le vecteur lumineux; car c’est lui qui est sensible aux yeux et les récepteurs optiques. Depuis les travaux de Hertz, les techniques ont beaucoup évolué avec de très nombreux faits expérimentaux qui ont confirmé la théorie de Maxwell, démontrant l’analogie entre les ondes hertziennes et la lumière.       
 La fin du XIXème siècle : extension de la  lumière au rayonnement
Vers la fin du XIXème siècle, et après validation par les expériences de Hertz, les physiciens reconnaissent la validité de la nouvelle théorie électromagnétique de Maxwell, qui décrit mieux la nature physique de la lumière et rend compte de tous les effets observés en résolvant tous les problèmes posés à l’optique. A l’usage, cette théorie se révèle très féconde dans le sens où elle permet de prévoir des propriétés restées jusque-là inconnues et de relier l’ensemble des phénomènes électromagnétiques, y compris la lumière au sein d’une même description. Dans cette atmosphère comblée de cette nouvelle théorie et de sa validation, le premier travail qui a apporté une pierre à l’édifice est bien celui de W. Crookes sur la nature du rayonnement cathodique en 1886, grâce auquel ont été découverts les Rayons X.  
Röntgen et les Rayons X
Wilhelm Conrad Röntgen  (1845-1923) est le nom du physicien allemand qui est principalement associé à la découverte des Rayons X, ce qui lui a valu de recevoir le premier Prix Nobel de physique en 1901.
En 1895, il étudia le phénomène de passage d'un courant électrique dans un tube de Crookes. Des expériences dans ce domaine avaient déjà été accomplies par J. Plücker et E. Goldstein. Les travaux de Röntgen sur les rayons cathodiques l'ont amené à la découverte d'un nouveau type de rayons. Lors de ses expériences, il place divers objets entre une plaque photographique et la source de rayonnement et il se rend compte qu'ils ont une transparence variable. Il expérimente ensuite avec la main de son épouse placée sur le parcours des rayons. Au développement, il s'est aperçu que l'image est l'ombre des os de la main de son épouse, son alliance y étant visible. Les os sont entourés d'une pénombre qui représente la chair de la main, la chair est donc plus perméable aux rayons : Röntgen constata que les nouveaux rayons sont produits par l'impact des rayons cathodiques sur un objet matériel. Parce que leur nature est encore inconnue, il leur donne le nom de Rayons X
L’avènement de la radioactivité
Les atomes d’uranium émettent des rayons uraniques, tout à fait différents des Rayons X, comme récente découverte. C’est une  activité toute nouvelle des atomes d’uranium, qui émettent un spectre continu d’énergie,  appelé radioactivité découverte   par Pierre et Marie Curie  en 1898, après mesure de l’ionisation produite par ces rayons uraniques. C’est un échantillon de pechblende (minerai naturel dont est extrait l’uranium) qui possède une radioactivité élevée due, non pas à l’uranium seul, mais au polonium et au radium, deux éléments nouveaux contenus dans le minerai. En 1899, le physicien et chimiste Anglais E. Rutherford montrera que les « rayons uraniques » se composent de deux rayonnements distincts : Rayons Alpha et Béta. Un rayonnement, plus pénétrant que les Rayons X, est émis par le radium et observé par Paul Villard en 1900, qui le nomme « Rayon Gamma ».
Le XIXème siècle s’achève donc sur le début de la physique et de la chimie des rayonnements : alpha, bêta, gamma, X, ultraviolet, infrarouge et sur la découverte de nouveaux éléments radioactifs qui feront l’objet de recherches approfondies dès le début du XXème siècle.
La lumière sensible à l’œil fut au début du XIXe siècle comme seul phénomène existant et ayant de la considération, et à la fin de ce même siècle, cette lumière n’est qu’une bande très mince allant de 0.4 à 0.8 micromètres de toute une échelle, qui est l’échelle des ondes électromagnétiques. Sur cette échelle allant des rayons gamma aux ondes hertziennes, les ondes électromagnétiques montrent des variations continument décroissantes en énergie (ou croissantes en longueurs d’onde) portées sur cette même échelle.

 * Professeur de physique et directeur du Laboratoire de recherche en physique
Université Mohammed Premier Oujda
Membre du Bureau administratif de la Fondation Machroue
Membre du Bureau national du Secteur de l’E.S. de l’USFP
 

Par Abdelkrim Nougaoui *
Vendredi 25 Décembre 2015

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