Ce n’est qu’en 1572 que les œuvres d’Ibn Al Haytham (IAH) sont diffusés et rendus accessibles à la civilisation occidentale. Ce n’est qu’à partir de cette date que les chercheurs de cette civilisation se sont véritablement intéressés aux contenus de ces œuvres. Il s’agit, entre autres, de Della Porta et Johann Kepler.
Della Porta (1535-1615) publia en 1589 la Magia Naturalis dans 20 tomes dont un seul, le 17ème, est consacré aux « Magies Optiques », dans lequel il a cité l’expérience de la chambre noire d’IAH à laquelle il a ajouté des lentilles convexe ou concave sans donner de précisions. La description de l’effet lumineux qu’il a donné est très qualitative et sans le moindre détail quant à la distance qui sépare la lentille et la chambre noire. Tout ce qu’il a souligné dans les « Magies Optiques », est que les lunettes sont indispensables à la correction de la vue et que personne n’a cherché jusque-là à en étudier l’effet. Il a interprété la presbytie comme le relâchement avec l’âge des muscles de la pupille et a voulu donner l’explication d’expériences et d’instruments nouveaux à l’aide de la philosophie grecque. Dans ces explications, les savants pensent qu’il s’est mis dans un contexte d’imitation de l’Antiquité, loin de tout savoir acquis dans les deux Moyen Âge.
Le chercheur qui a été le plus en contact avec les œuvres d’IAH est Johann Kepler. Il a lu l’œuvre de ce dernier ainsi que celles de Grossetête, de Bacon et de Thierry. Il publia en 1604 « Les paralpomènes à Vitellion », comme œuvre dans laquelle il a complété en bien des points les travaux d’IAH. Dans cet ouvrage, Kepler a donné sa définition à la lumière et des rayons lumineux, où se mêlent définitions mathématiques et inspiration métaphysique. Chez lui, le caractère immatériel de la lumière est largement accrédité par le fait que les lumières des différentes couleurs peuvent se croiser sans se mélanger. Les quatre propositions précisées vont être définitivement adoptées par l’optique géométrique :
- La lumière peut émaner ou être projetée de sa source vers un lieu lointain.
- Le flux de lumière arrive d’un point quelconque suivant un nombre infini de droit.
- La lumière peut se propager jusqu’à l’infini.
- Les lignes de cette émission sont des droites nommées rayons.
Il mène ensuite de nombreuses expériences. Travaillant à faible incidence, il démontra que le coefficient de proportionnalité entre les angles d’incidence et de réfraction est une constante qui dépend du milieu. C’est une loi approximée qui lui a permis de suivre le cheminement des rayons lumineux dans la lunette abordée par Della Porta et d’expliquer son fonctionnement mais sans donner de formulation générale.
S’intéressant au fonctionnement de l’œil, il condamne l’artifice d’IAH qui consiste à privilégier les rayons perpendiculaires à l’œil en leur attribuant une force prépondérante. Il a argumenté que les rayons quasiment perpendiculaires, qui ne sont pas déviés par la réfraction, n’ont pas de raison d’avoir notablement moins de force que ceux qui sont exactement perpendiculaires.
Ses travaux sur la réfraction lui ont permis de faire converger en un point une famille de rayons occupant le centre du champ visuel (champ des faibles incidences) déterminant ainsi la notion de foyer. Kepler, qui a pris connaissance de la majorité des travaux des anatomistes contemporains, adopte un des points de vue en cours attribuant la zone de formation d’images non plus au cristallin, mais à la rétine. Il fait arrêter le domaine de l’optique à ce stade et s’en remet au cerveau pour formuler l’hypothèse que ce dernier interprète l’image inversée comme image à l’endroit. Ainsi le mécanisme de la vision est bien élucidé, Kepler explique clairement le rôle des lentilles convexe et concave dans l’amélioration de la vue.
C’est donc grâce à Kepler que la science de la lumière (l’optique) et de la vision est sortie des décombres du Haut et du Bas Moyen Age, pour être revue et corrigée par ce dernier. Le concept de la lumière, les notions de rayon lumineux, de chemin optique, les formations d’images, les lois de la réflexion étaient donc bien établis. Mais des questions fondamentales subsistent sur l’angle de réfraction, l’apparition des couleurs (arc-en-ciel) et la vitesse de propagation de la lumière. Pour tenter de donner des réponses à cet ensemble de questions, plusieurs savants se sont efforcés d’en apporter des éléments qui, parfois, se complètent et parfois se contredisant. Les noms qui ont le plus marqué l’effet lumineux au XVIIème siècle sont dans un ordre pas nécessairement chronologique : Descartes, Hooke, Newton, Römer, Huygens, Fermat, Grimaldi et Bartholin.
Contribution de Descartes
Descartes va s’efforcer de répondre à toutes ces questions posées. Pour la réfraction, si personne n’est arrivé à déterminer exactement la relation entre les angles d’incidence et de réfraction, c’est le Hollandais Willebrord Snell (1581-1626), qui a résolu le problème vers 1625. Mort jeune, il n’est pas arrivé à publier ses résultats mais les confia à Descartes qu’il fit passer pour siennes la première fois en 1637 dans la Dioptrique avec la citation connue : « Quels que soient les angles d’incidence et de réfraction, le rapport de leur sinus est toujours égal à une même constante lors du passage de la lumière entre deux milieux donnés ».
L’étude faite par Descartes, du passage vide-milieux matériels permettra de définir les indices absolus de ceux-ci en attribuant conventionnellement au vide un indice égal à un. Les lois de la réfraction étant établies, il est donc devenu possible de concevoir des instruments optiques. L’optique géométrique est devenue dès lors une science exacte, voire la première science exacte. La réflexion est interprétée de façon mécaniste comme celle revenant à l’âge médiévale d'Ibn Al-Haitham, en la comparant au modèle de rebond d’une bille sur une table. Elle rend compte de la réfraction en l’assimilant au passage d’un projectile au travers d’une toile tendue perdant seulement une partie de sa vitesse.
Quant à la vitesse, elle est restée instantanée dans les interprétations de Descartes à côté de celles des couleurs. A propos de ces dernières, il explique : «Comme la réflexion et la réfraction, les couleurs résultent de la surface de séparation des deux milieux, où la lumière subit un changement semblable au mouvement d’une balle quand on la frise». Par là, Descartes imagine que les particules formant la lumière, se mettent à tournoyer comme une balle (liftée). Si le tournoiement est faible, c’est le rouge (moins dévié) qui est obtenu, s’il est fort, c’est le bleu qui est créé : selon cette interprétation, les couleurs ne sont pas intrinsèques à la lumière incidente, mais sont dues à l’action mécanique de la surface. Mis à part les lois de la réflexion et de la réfraction, tout le programme cartésien en physique a été un échec. Mais sa vision unificatrice, hiérarchisée, obéissant aux règles allait s’imposer dans la culture et le raisonnement, jusqu’au point d’exercer une influence prépondérante dans le mode de pensée et d’agir de toute la société savante et non savante : c’est le triomphe du cartésianisme.
Hooke et l’interprétation des couleurs
L’interprétation des phénomènes des couleurs n’est pas restée à ce stade, et c’est en 1665 que l’anglais R. Hooke (1603-1703), qui se servait du microscope, publia de curieuses observations : il détailla les couleurs produites lorsqu’il éclaire en lumière blanche une lame transparente à faces parallèles de faible épaisseur. Hooke observa des phénomènes analogues avec des bulles de savon ou de très fines feuilles de verre soufflé. Si l’épaisseur de la lame n’est pas uniforme mais variable comme dans une lentille, des anneaux colorés concentriques sont observés. Ces anneaux seront étudiés plus tard en détail par Newton et porteront désormais son nom.
La théorie corpusculaire-mécaniste
de Newton
Cette théorie et ces résultats sont à l’origine d’une conception nouvelle et globale même de la société et du monde qui, combinée à la méthode hypothético-déductive de Galilée, vont être mises à profit pour constituer une nouvelle synthèse qui est le système newtonien. En 1666 et à l’âge de 24 ans, dans le même temps qu’il a commencé à s’intéresser aux mouvements des planètes et au calcul infinitésimal, Newton étudia les phénomènes des couleurs sur lesquels R. Hooke s’est déjà penché.
Il s’est procuré la même année un prisme triangulaire pour faire les premières expériences sur ces fameux phénomènes. Il observa une image étalée rouge à une extrémité, violette de l’autre, jaune, verte et bleue dans l’espace intermédiaire. Pour s’assurer que ces couleurs ne sont pas produites par la surface de séparation comme l’a fait l’interprétation cartésienne auparavant, il a disposé de deux prismes identiques, placés l’un perpendiculaire à l’autre : il a constaté qu’après le second prisme, la largeur de l’image observée n’augmente pas. Le violet est plus dévié que le rouge à la fois dans le premier et le second prismes. C’est un résultat fondamental qui prouve que les couleurs ne sont pas un effet de surfaces traversées par la lumière. Newton vient de réaliser l’expérience qui va effacer la théorie cartésienne des couleurs.
Newton ne s’est pas arrêté à ce stade, il a continué son raisonnement en pensant à recomposer le rayon lumineux après l’avoir décomposé par dispersion. Si au moyen d’un dispositif quelconque, il parvient à regrouper tous les faisceaux colorés ainsi produits en un point de l’espace, celui-ci doit paraître blanc dans l’hypothèse où la lumière solaire (blanche) est composée de ces couleurs observées. L’expérience est réalisée et le résultat en est bien ainsi : les couleurs sont donc une partie de la lumière et l’image obtenue après le prisme peut être appelée spectre de la lumière solaire, avec le nouveau phénomène qui le produit : la dispersion des couleurs.
Les très nombreuses autres expériences que Newton réalisa, l’ont amené à concevoir que la lumière est composée de sept couleurs élémentaires auxquelles correspondent dans un milieu donné, des indices de réfraction propres. En effet, il fait parvenir à la Royal Society créée en 1663 son manuscrit intitulé Principia, dans lequel il a démontré la gravitation universelle, y proposa son nouveau système du monde tout en y montrant la cohérence et la généralité et l’étendant à de nombreux domaines dont l’optique.
Il proposa alors à grands traits une théorie de la lumière dont il expliqua tous les effets à partir de la description précise des trajectoires qu’elle suit, et en l’expliquant par l’action d’une force réfractante qui s’exerce sur les particules selon la perpendiculaire aux surfaces de séparation. La publication de son manuscrit Principia a été reçue comme un choc, mais elle a fini par rallier tous les savants sauf Hooke pour une raison bien évidente, car ce dernier qui s’est penché juste avant sur les phénomènes des couleurs, eut peur que le nouveau prodigue puisse s’approprier ce terrain des couleurs. En effet, c’est bien cela qui s’est passé.
Newton publia son deuxième ouvrage en 1703, qu’il a intitulé, Traité d’Optique, avec un postulat initial énoncé : la lumière est formée de corpuscules qui se propagent à une vitesse énorme.
Römer, auteur de la première mesure de la vitesse de la lumière
Avant de passer à l’autre nouvelle théorie ondulatoire de la lumière qui est en totale contradiction avec la théorie newtonienne précédente, et durant la période séparant les années 1666 et 1703, période d’élaboration de la théorie newtonienne, indiquons tout particulièrement que l’année 1675 a été l’année de la première expérience de mesure de la vitesse de la lumière. C’est grâce à l’apport de la lunette de Galilée que les quatre satellites de Jupiter sont découverts: Io, Ganymède, Europe et Callisto. L’astronome danois Ole Römer a donné une première mesure de la vitesse de la lumière, qui a mis fin à la théorie d’une propagation instantanée. L’occultation périodique d’Io derrière Jupiter se produit toutes les 42 heures, 27 minutes et 21 secondes. L’observation des apparitions et disparitions régulières du satellite Io derrière Jupiter constitue donc une horloge très fiable et Römer se proposa de l’utiliser pour prédire à trois mois d’intervalle à quel instant précis cette occultation sera observée. Il a réglé son horloge sur cet événement le jour où la terre et Jupiter sont en conjonction, la terre étant au plus près de Jupiter.
A partir de cet instant, il anticipe l’effet de l’augmentation de la distance Jupiter-Terre pour prédire quand aura lieu l’occultation trois mois plus tard, lorsque les deux planètes sont en quadrature. Il constata que ce phénomène se produit avec un retard d’environ 10 minutes conformément à sa prédiction. Il expliqua ce décalage par le fait que la distance des deux planètes a augmenté du rayon de l’orbite terrestre. Compte tenu des imprécisions sur la valeur du rayon de l’orbite terrestre et sur les mesures du temps, la valeur ainsi trouvée pour la vitesse de propagation, de l’ordre de 1,93 108mètres par seconde, était suffisante pour affirmer que la propagation n’était pas instantanée : cette première a mis fin à la validité de la théorie de Descartes.
La théorie ondulatoire
de Christian Huygens
Pour l’autre nouvelle théorie ondulatoire et en face du modèle newtonien, il y a l’élève Huygens qui a reçu l’éducation mathématique de Descartes qui l’a qualifié de Nouvel Archimède. De l’onde, il créa la notion d’ondelette, qui lui a servi d’interpréter les phénomènes de réflexion, de réfraction et de diffraction. Il a été emmené à utiliser la notion d’éther, déjà utilisée par Descartes et Newton. Il donna une nouvelle formulation de la matière transparente : Quelle que soit la matière dans laquelle l’onde est transmise, la vitesse de la lumière doit être plus faible dans un solide que dans un liquide, dans un liquide que dans un gaz, dans un gaz que dans l’éther.
Il a donné une bonne interprétation à la biréfringence due à la double réfraction observée sur la calcite, et en étend l’expérience au quartz et au mica. Après avoir tout validé, Huygens reçoit les compliments de son ami Leibniz, qui lui écrit que « l’interprétation de la biréfringence te fait passer de l’estime à l’admiration ».
Controverse Newton-Huygens
Aussi pertinents qu’ils soient, les travaux de Huygens n’ont pas échappé aux critiques qui ont tenté de démolir la théorie ondulatoire. Dans son ouvrage que nous avons déjà cité Principia, Newton releva une trentaine de points dans lesquels il révéla « des contradictions conceptuelles » de grande importance dans la théorie de Huygens. A la fin, il a noté : « Si l’action de la lumière consistait en une action propagée sans mouvement de transport, elle ne serait pas capable d’agiter et d’échauffer les corps qui la réfractent ou qui la réfléchissent, l’éther envisagé par Huygens devrait donc à la fois transmettre très facilement les perturbations lumineuses et ne pas s’opposer aux mouvements des astres». Huygens est décédé en 1695, sans que sa théorie connaisse de succès auprès de la société des savants et des lettrés.
En étudiant les phénomènes des couleurs, Newton est passé juste à côté de la nature ondulatoire de la lumière, mais son ego l’a empêché de la reconnaître. En récupérant les travaux de R. Hooke, Newton place une lentille convexe de grand rayon de courbure sur une lame de verre, il observe des anneaux concentriques colorés à partir du point central de contact entre la lentille et la lame. Il mesure pour chaque anneau la distance entre les deux pièces de verre et il obtient une relation empirique entre ces distances et le rayon des anneaux. Newton parla alors d’un phénomène périodique de la lumière, mais sa profonde conviction (ou son ego) l’a empêché de se prononcer en termes d’interférences entre ondes.
C’est la physique newtonienne qui a gagné le domaine public et les idées qu’elle a développées sont adoptées par tout le public « éclairé », de philosophes et des gens instruits; car ses constructions, sa logique, sa rigueur, la manière dont elle rend compte des faits, dont elle prévoit, s’imposent de plus en plus pour régner sur tous les champs du savoir tout au long du XVIIIème et la première moitié du XIXème siècle.
Cette physique newtonienne régnante dès le début du XVIIIème siècle, instaure une sorte d’amnistie avec la religion. Les scientifiques newtoniens quant à eux, renonçant à leur ambition de proposer des explications et des interprétations aux causes premières, débarrassées des applications métaphysiques cartésiennes, voient leurs recherches encouragées par l’église. En affirmant la réalité « du système du monde » de Newton, mais en estimant en même temps que toutes les disciplines ne sont pas encore arrivées à maturité, ils dégagent la nécessité de les intégrer dans un tout cohérent. Ils justifient aussi que chaque domaine de recherche doit être rendu indépendant d’un autre à condition qu’y soient appliquées la même manière de procéder et la même méthode hypothético-déductive. Des sociétés savantes scientifiques sont créées à travers toute l’Europe. Elles assurent grâce à la langue commune, le latin puis le français, la diffusion de toutes les découvertes.
Cette physique newtonienne est accueillie avec l’enthousiasme de la nouveauté, et l’un de ses grands succès est venu de Clairaut, mathématicien et astronome français du XVIIIème siècle, qui a prédit en appliquant les lois de Newton de la gravitation, que la comète découverte par Halley en 1682 va apparaître avec une période augmentée de 618 jours par rapport à la précédente (518 jours par attraction de Jupiter, 100 jours par action de Sature) et donne exactement la trajectoire qu’elle allait suivre. Toutes les classes sociales en Europe attendaient avec un égal intérêt la réapparition annoncée, et la prédiction de l’illustre mathématicien s’était accomplie dans le temps et dans l’espace.
Toutes les activités et les débats scientifiques qui s’en sont suivis transparaissaient dans des réalisations culturelles du XVIIIème siècle, du genre Encyclopedia Britannica et l’Encyclopédie de Diderot et D’Alembert : faire la somme de l’information scientifique et technique, nécessité d’un certain esprit critique envers l’universalité des lois scientifiques. L’échec des opposants à la théorie newtonienne n’a pas fini seulement par lui donner de nouveaux arguments de renfort et de soutien, mais d’avoir des adeptes jusqu’à la fin du XVIIIème siècle.
Principe de Fermat
Un aspect particulièrement étonnant est la possibilité d'interpréter également ces lois de Snell-Descartes en termes de moindre parcours, et plus précisément en termes de moindre temps.
C'est le juriste français Pierre de Fermat (1601-1665) qui a introduit cette interprétation, source tout à la fois pour lui de questionnements fondamentaux sur la « raison » de ce moindre parcours, et d'une approche théorique très puissante initiée par Clairaut et généralisée par Euler en plein milieu du XVIIIème siècle : c’est le principe dit de moindre action.
- Enoncé du Principe de Fermat : « La lumière se propage d'un point à un autre sur des trajectoires telles que la durée du parcours soit stationnaire. ». Là encore, une analogie mécanique peut aider à comprendre pourquoi durée de parcours et trajectoire brisée sont intimement liées.
Lorsqu'un rayon parcourt une distance d dans un milieu d'indice n, on appelle chemin optique et on note L, le produit de la distance et de l'indice. Si un rayon change de milieu et parcourt une distance d1 dans un milieu d'indice n1 et une distance d2 dans un milieu d'indice n2, alors le chemin optique parcouru est est la somme des deux produits d1n1 et d2n2.
On remarque alors que le chemin que parcourt un rayon pour aller d'un point à un autre correspond toujours à un extrémum de L : ligne droite dans un milieu donné, et réfraction suivant la loi de Snell-Descartes lorsqu'il change de milieu. Notons qu’il s’agit là d'une constatation, d'une conséquence, et non d'une cause. Mais ce principe est très puissant et peut être généralisé à beaucoup d'approches de la physique. En optique, il permet de calculer le trajet dans un milieu d'indice variable. On a jusqu'ici considéré des milieux homogènes et isotropes, dans lesquels la vitesse de la lumière était la même partout et dans toutes les directions. Mais il existe des milieux dans lesquels la vitesse de la lumière, donc l'indice de réfraction, varie de manière continue, par exemple l'air.
Grimaldi et la découverte
de la diffraction
L’œuvre de Francesco Grimaldi (Bologne 1618-1665) est publiée en 1663, date au cours de laquelle Grimaldi a découvert la diffraction comme propriété nouvelle de la lumière et lui a donné ce nom encore appelé inflexion par Newton. Pour avoir fait cette découverte, Grimaldi a eu l’idée de ne laisser entrer dans l’enceinte d’expérimentation qu’un très fin filet lumineux et de le faire tomber sur un cheveu. Sur un écran, il observa l’ombre du cheveu qui n’est ni parfaitement définie ni bordée de la zone de pénombre habituelle mais limitée par des franges colorées. C’est un phénomène jamais décrit auparavant. Pour s’assurer de l’existence réelle de ce nouveau phénomène, Grimaldi l’a étudié systématiquement en faisant varier les conditions expérimentales : le fin pinceau lumineux rencontre toute sorte d’objets minuscules et les résultats sont des figures invariables. En essayant toutes les interprétations données à la nature de la lumière en cours, Grimaldi n’a trouvé satisfaction dans aucune d’elles : puisqu’elles ne permettent pas de résoudre les incohérences et les impossibilités qu’elles révèlent et en particulier la théorie cartésienne du fluide lumineux qu’il a rejetée. Il a aussi repris la théorie ondulatoire toute récente, qui lui paraît aussi insatisfaisante car, elle lui permet d’expliquer seulement les couleurs. Le problème de la nature physique de la lumière reste sans résolution lorsque Grimaldi meurt prématurément en 1665. Son œuvre est cependant essentielle en ce qu’elle a permis une découverte fondamentale : la diffraction.
Erasme Bartholin et la double
réfraction de la calcite
En 1669, Erasme Bartholin (1625-1698), médecin danois, introduit un traité faisant date dans l’histoire de l’optique : « A Sa Majesté sacrée, Roi de Danemark... : l’expérience sur le cristal biréfringent inondant les terres nordiques, mystère de dioptrique, spectacle entièrement nouveau sur terre...». Dans ce style utilisé à l’époque, il y décrit des cristaux de calcite rapportés d’une expédition d’Islande. Leur grande taille, leur parfaite transparence ne peuvent laisser inaperçue une propriété vraiment étrange : ils dédoublent les images des objets, des textes, sur lesquels ils sont posés.
Les observations faites sur la calcite ont permis à Bartholin d’écrire : « A double image correspond une double réfraction... l’une qui envoie vers l’œil une image fixe a été nommée Réfraction Ordinaire, l’autre qui transmet de l’objet à l’œil une image mobile est appelée Réfraction Extraordinaire. D’où ce cristal est appelé Birefringent... L’image qui apparaît fixe peut s’expliquer par les lois habituelles de la réfraction..., mais celle qui suit le mouvement de la lame révèle une sorte extraordinaire de réfraction... qui est contraire aux lois de la réfraction habituelle, que l’écartement des images varie comme l’épaisseur traversée». Huygens en a donné l’interprétation en démontrant que leur angle diffère de 2°23’. L’hypothèse de l’interprétation avancée est vivement critiquée par Newton qui a tout fait pour démolir toute l’œuvre de Huygens.
Galilée et Descartes parents de la
méthode scientifique moderne
Avec l’introduction de deux ingrédients : la méthode rationnelle cartésienne et la déduction hypothético-déductive de Galilée, la physique moderne est née. Qui sont ces deux ingrédients? Ces deux ingrédients sont une partie de l’histoire de la physique rationnelle moderne, caractérisée par deux dates.
En 1632, Galilée développa dans son ouvrage Dialogo, une base rationnelle de l’héliostatisme : les mêmes lois physiques s’appliquent à tout l’univers selon le principe d’un monde unifié avec de nouvelles méthodes d’expérimentation et de géométrisation.
En 1637, Descartes publia le discours de la méthode, qui a contribué à cette nouvelle phase marquée en philosophie et en physique, pour conduire sa raison et chercher la vérité dans les sciences : il faut douter systématiquement, et ayant recours à l’expérience et au langage mathématique, préférer la science aux idées reçues. Cette nouvelle science est née grâce à la lunette de Galilée. On peut retenir des contenus de ces propos, la mise en œuvre de nouvelles méthodes de travail caractérisées par :
- un raisonnement logique et déductif portant en lui sa propre possibilité de vérification ou de remise en cause;
- s’interroger sur la nature de la lumière et la matière et le monde ainsi que leur fonctionnement avec des expériences conçues en fonction des théories élaborées;
- une synthèse d’idées autour d’une double discipline, l’expérience et la déduction, qui vont amener au développement de pensée sous forme de méthode rationnelle et scientifique. Avec l’introduction de cette méthode, c’est la voie au développement de l’instrumentation scientifique qui s’est ouverte, d’où l’apparition de la science basée sur l’expérience ou la science expérimentale.
* Professeur de physique et directeur
de 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
Della Porta (1535-1615) publia en 1589 la Magia Naturalis dans 20 tomes dont un seul, le 17ème, est consacré aux « Magies Optiques », dans lequel il a cité l’expérience de la chambre noire d’IAH à laquelle il a ajouté des lentilles convexe ou concave sans donner de précisions. La description de l’effet lumineux qu’il a donné est très qualitative et sans le moindre détail quant à la distance qui sépare la lentille et la chambre noire. Tout ce qu’il a souligné dans les « Magies Optiques », est que les lunettes sont indispensables à la correction de la vue et que personne n’a cherché jusque-là à en étudier l’effet. Il a interprété la presbytie comme le relâchement avec l’âge des muscles de la pupille et a voulu donner l’explication d’expériences et d’instruments nouveaux à l’aide de la philosophie grecque. Dans ces explications, les savants pensent qu’il s’est mis dans un contexte d’imitation de l’Antiquité, loin de tout savoir acquis dans les deux Moyen Âge.
Le chercheur qui a été le plus en contact avec les œuvres d’IAH est Johann Kepler. Il a lu l’œuvre de ce dernier ainsi que celles de Grossetête, de Bacon et de Thierry. Il publia en 1604 « Les paralpomènes à Vitellion », comme œuvre dans laquelle il a complété en bien des points les travaux d’IAH. Dans cet ouvrage, Kepler a donné sa définition à la lumière et des rayons lumineux, où se mêlent définitions mathématiques et inspiration métaphysique. Chez lui, le caractère immatériel de la lumière est largement accrédité par le fait que les lumières des différentes couleurs peuvent se croiser sans se mélanger. Les quatre propositions précisées vont être définitivement adoptées par l’optique géométrique :
- La lumière peut émaner ou être projetée de sa source vers un lieu lointain.
- Le flux de lumière arrive d’un point quelconque suivant un nombre infini de droit.
- La lumière peut se propager jusqu’à l’infini.
- Les lignes de cette émission sont des droites nommées rayons.
Il mène ensuite de nombreuses expériences. Travaillant à faible incidence, il démontra que le coefficient de proportionnalité entre les angles d’incidence et de réfraction est une constante qui dépend du milieu. C’est une loi approximée qui lui a permis de suivre le cheminement des rayons lumineux dans la lunette abordée par Della Porta et d’expliquer son fonctionnement mais sans donner de formulation générale.
S’intéressant au fonctionnement de l’œil, il condamne l’artifice d’IAH qui consiste à privilégier les rayons perpendiculaires à l’œil en leur attribuant une force prépondérante. Il a argumenté que les rayons quasiment perpendiculaires, qui ne sont pas déviés par la réfraction, n’ont pas de raison d’avoir notablement moins de force que ceux qui sont exactement perpendiculaires.
Ses travaux sur la réfraction lui ont permis de faire converger en un point une famille de rayons occupant le centre du champ visuel (champ des faibles incidences) déterminant ainsi la notion de foyer. Kepler, qui a pris connaissance de la majorité des travaux des anatomistes contemporains, adopte un des points de vue en cours attribuant la zone de formation d’images non plus au cristallin, mais à la rétine. Il fait arrêter le domaine de l’optique à ce stade et s’en remet au cerveau pour formuler l’hypothèse que ce dernier interprète l’image inversée comme image à l’endroit. Ainsi le mécanisme de la vision est bien élucidé, Kepler explique clairement le rôle des lentilles convexe et concave dans l’amélioration de la vue.
C’est donc grâce à Kepler que la science de la lumière (l’optique) et de la vision est sortie des décombres du Haut et du Bas Moyen Age, pour être revue et corrigée par ce dernier. Le concept de la lumière, les notions de rayon lumineux, de chemin optique, les formations d’images, les lois de la réflexion étaient donc bien établis. Mais des questions fondamentales subsistent sur l’angle de réfraction, l’apparition des couleurs (arc-en-ciel) et la vitesse de propagation de la lumière. Pour tenter de donner des réponses à cet ensemble de questions, plusieurs savants se sont efforcés d’en apporter des éléments qui, parfois, se complètent et parfois se contredisant. Les noms qui ont le plus marqué l’effet lumineux au XVIIème siècle sont dans un ordre pas nécessairement chronologique : Descartes, Hooke, Newton, Römer, Huygens, Fermat, Grimaldi et Bartholin.
Contribution de Descartes
Descartes va s’efforcer de répondre à toutes ces questions posées. Pour la réfraction, si personne n’est arrivé à déterminer exactement la relation entre les angles d’incidence et de réfraction, c’est le Hollandais Willebrord Snell (1581-1626), qui a résolu le problème vers 1625. Mort jeune, il n’est pas arrivé à publier ses résultats mais les confia à Descartes qu’il fit passer pour siennes la première fois en 1637 dans la Dioptrique avec la citation connue : « Quels que soient les angles d’incidence et de réfraction, le rapport de leur sinus est toujours égal à une même constante lors du passage de la lumière entre deux milieux donnés ».
L’étude faite par Descartes, du passage vide-milieux matériels permettra de définir les indices absolus de ceux-ci en attribuant conventionnellement au vide un indice égal à un. Les lois de la réfraction étant établies, il est donc devenu possible de concevoir des instruments optiques. L’optique géométrique est devenue dès lors une science exacte, voire la première science exacte. La réflexion est interprétée de façon mécaniste comme celle revenant à l’âge médiévale d'Ibn Al-Haitham, en la comparant au modèle de rebond d’une bille sur une table. Elle rend compte de la réfraction en l’assimilant au passage d’un projectile au travers d’une toile tendue perdant seulement une partie de sa vitesse.
Quant à la vitesse, elle est restée instantanée dans les interprétations de Descartes à côté de celles des couleurs. A propos de ces dernières, il explique : «Comme la réflexion et la réfraction, les couleurs résultent de la surface de séparation des deux milieux, où la lumière subit un changement semblable au mouvement d’une balle quand on la frise». Par là, Descartes imagine que les particules formant la lumière, se mettent à tournoyer comme une balle (liftée). Si le tournoiement est faible, c’est le rouge (moins dévié) qui est obtenu, s’il est fort, c’est le bleu qui est créé : selon cette interprétation, les couleurs ne sont pas intrinsèques à la lumière incidente, mais sont dues à l’action mécanique de la surface. Mis à part les lois de la réflexion et de la réfraction, tout le programme cartésien en physique a été un échec. Mais sa vision unificatrice, hiérarchisée, obéissant aux règles allait s’imposer dans la culture et le raisonnement, jusqu’au point d’exercer une influence prépondérante dans le mode de pensée et d’agir de toute la société savante et non savante : c’est le triomphe du cartésianisme.
Hooke et l’interprétation des couleurs
L’interprétation des phénomènes des couleurs n’est pas restée à ce stade, et c’est en 1665 que l’anglais R. Hooke (1603-1703), qui se servait du microscope, publia de curieuses observations : il détailla les couleurs produites lorsqu’il éclaire en lumière blanche une lame transparente à faces parallèles de faible épaisseur. Hooke observa des phénomènes analogues avec des bulles de savon ou de très fines feuilles de verre soufflé. Si l’épaisseur de la lame n’est pas uniforme mais variable comme dans une lentille, des anneaux colorés concentriques sont observés. Ces anneaux seront étudiés plus tard en détail par Newton et porteront désormais son nom.
La théorie corpusculaire-mécaniste
de Newton
Cette théorie et ces résultats sont à l’origine d’une conception nouvelle et globale même de la société et du monde qui, combinée à la méthode hypothético-déductive de Galilée, vont être mises à profit pour constituer une nouvelle synthèse qui est le système newtonien. En 1666 et à l’âge de 24 ans, dans le même temps qu’il a commencé à s’intéresser aux mouvements des planètes et au calcul infinitésimal, Newton étudia les phénomènes des couleurs sur lesquels R. Hooke s’est déjà penché.
Il s’est procuré la même année un prisme triangulaire pour faire les premières expériences sur ces fameux phénomènes. Il observa une image étalée rouge à une extrémité, violette de l’autre, jaune, verte et bleue dans l’espace intermédiaire. Pour s’assurer que ces couleurs ne sont pas produites par la surface de séparation comme l’a fait l’interprétation cartésienne auparavant, il a disposé de deux prismes identiques, placés l’un perpendiculaire à l’autre : il a constaté qu’après le second prisme, la largeur de l’image observée n’augmente pas. Le violet est plus dévié que le rouge à la fois dans le premier et le second prismes. C’est un résultat fondamental qui prouve que les couleurs ne sont pas un effet de surfaces traversées par la lumière. Newton vient de réaliser l’expérience qui va effacer la théorie cartésienne des couleurs.
Newton ne s’est pas arrêté à ce stade, il a continué son raisonnement en pensant à recomposer le rayon lumineux après l’avoir décomposé par dispersion. Si au moyen d’un dispositif quelconque, il parvient à regrouper tous les faisceaux colorés ainsi produits en un point de l’espace, celui-ci doit paraître blanc dans l’hypothèse où la lumière solaire (blanche) est composée de ces couleurs observées. L’expérience est réalisée et le résultat en est bien ainsi : les couleurs sont donc une partie de la lumière et l’image obtenue après le prisme peut être appelée spectre de la lumière solaire, avec le nouveau phénomène qui le produit : la dispersion des couleurs.
Les très nombreuses autres expériences que Newton réalisa, l’ont amené à concevoir que la lumière est composée de sept couleurs élémentaires auxquelles correspondent dans un milieu donné, des indices de réfraction propres. En effet, il fait parvenir à la Royal Society créée en 1663 son manuscrit intitulé Principia, dans lequel il a démontré la gravitation universelle, y proposa son nouveau système du monde tout en y montrant la cohérence et la généralité et l’étendant à de nombreux domaines dont l’optique.
Il proposa alors à grands traits une théorie de la lumière dont il expliqua tous les effets à partir de la description précise des trajectoires qu’elle suit, et en l’expliquant par l’action d’une force réfractante qui s’exerce sur les particules selon la perpendiculaire aux surfaces de séparation. La publication de son manuscrit Principia a été reçue comme un choc, mais elle a fini par rallier tous les savants sauf Hooke pour une raison bien évidente, car ce dernier qui s’est penché juste avant sur les phénomènes des couleurs, eut peur que le nouveau prodigue puisse s’approprier ce terrain des couleurs. En effet, c’est bien cela qui s’est passé.
Newton publia son deuxième ouvrage en 1703, qu’il a intitulé, Traité d’Optique, avec un postulat initial énoncé : la lumière est formée de corpuscules qui se propagent à une vitesse énorme.
Römer, auteur de la première mesure de la vitesse de la lumière
Avant de passer à l’autre nouvelle théorie ondulatoire de la lumière qui est en totale contradiction avec la théorie newtonienne précédente, et durant la période séparant les années 1666 et 1703, période d’élaboration de la théorie newtonienne, indiquons tout particulièrement que l’année 1675 a été l’année de la première expérience de mesure de la vitesse de la lumière. C’est grâce à l’apport de la lunette de Galilée que les quatre satellites de Jupiter sont découverts: Io, Ganymède, Europe et Callisto. L’astronome danois Ole Römer a donné une première mesure de la vitesse de la lumière, qui a mis fin à la théorie d’une propagation instantanée. L’occultation périodique d’Io derrière Jupiter se produit toutes les 42 heures, 27 minutes et 21 secondes. L’observation des apparitions et disparitions régulières du satellite Io derrière Jupiter constitue donc une horloge très fiable et Römer se proposa de l’utiliser pour prédire à trois mois d’intervalle à quel instant précis cette occultation sera observée. Il a réglé son horloge sur cet événement le jour où la terre et Jupiter sont en conjonction, la terre étant au plus près de Jupiter.
A partir de cet instant, il anticipe l’effet de l’augmentation de la distance Jupiter-Terre pour prédire quand aura lieu l’occultation trois mois plus tard, lorsque les deux planètes sont en quadrature. Il constata que ce phénomène se produit avec un retard d’environ 10 minutes conformément à sa prédiction. Il expliqua ce décalage par le fait que la distance des deux planètes a augmenté du rayon de l’orbite terrestre. Compte tenu des imprécisions sur la valeur du rayon de l’orbite terrestre et sur les mesures du temps, la valeur ainsi trouvée pour la vitesse de propagation, de l’ordre de 1,93 108mètres par seconde, était suffisante pour affirmer que la propagation n’était pas instantanée : cette première a mis fin à la validité de la théorie de Descartes.
La théorie ondulatoire
de Christian Huygens
Pour l’autre nouvelle théorie ondulatoire et en face du modèle newtonien, il y a l’élève Huygens qui a reçu l’éducation mathématique de Descartes qui l’a qualifié de Nouvel Archimède. De l’onde, il créa la notion d’ondelette, qui lui a servi d’interpréter les phénomènes de réflexion, de réfraction et de diffraction. Il a été emmené à utiliser la notion d’éther, déjà utilisée par Descartes et Newton. Il donna une nouvelle formulation de la matière transparente : Quelle que soit la matière dans laquelle l’onde est transmise, la vitesse de la lumière doit être plus faible dans un solide que dans un liquide, dans un liquide que dans un gaz, dans un gaz que dans l’éther.
Il a donné une bonne interprétation à la biréfringence due à la double réfraction observée sur la calcite, et en étend l’expérience au quartz et au mica. Après avoir tout validé, Huygens reçoit les compliments de son ami Leibniz, qui lui écrit que « l’interprétation de la biréfringence te fait passer de l’estime à l’admiration ».
Controverse Newton-Huygens
Aussi pertinents qu’ils soient, les travaux de Huygens n’ont pas échappé aux critiques qui ont tenté de démolir la théorie ondulatoire. Dans son ouvrage que nous avons déjà cité Principia, Newton releva une trentaine de points dans lesquels il révéla « des contradictions conceptuelles » de grande importance dans la théorie de Huygens. A la fin, il a noté : « Si l’action de la lumière consistait en une action propagée sans mouvement de transport, elle ne serait pas capable d’agiter et d’échauffer les corps qui la réfractent ou qui la réfléchissent, l’éther envisagé par Huygens devrait donc à la fois transmettre très facilement les perturbations lumineuses et ne pas s’opposer aux mouvements des astres». Huygens est décédé en 1695, sans que sa théorie connaisse de succès auprès de la société des savants et des lettrés.
En étudiant les phénomènes des couleurs, Newton est passé juste à côté de la nature ondulatoire de la lumière, mais son ego l’a empêché de la reconnaître. En récupérant les travaux de R. Hooke, Newton place une lentille convexe de grand rayon de courbure sur une lame de verre, il observe des anneaux concentriques colorés à partir du point central de contact entre la lentille et la lame. Il mesure pour chaque anneau la distance entre les deux pièces de verre et il obtient une relation empirique entre ces distances et le rayon des anneaux. Newton parla alors d’un phénomène périodique de la lumière, mais sa profonde conviction (ou son ego) l’a empêché de se prononcer en termes d’interférences entre ondes.
C’est la physique newtonienne qui a gagné le domaine public et les idées qu’elle a développées sont adoptées par tout le public « éclairé », de philosophes et des gens instruits; car ses constructions, sa logique, sa rigueur, la manière dont elle rend compte des faits, dont elle prévoit, s’imposent de plus en plus pour régner sur tous les champs du savoir tout au long du XVIIIème et la première moitié du XIXème siècle.
Cette physique newtonienne régnante dès le début du XVIIIème siècle, instaure une sorte d’amnistie avec la religion. Les scientifiques newtoniens quant à eux, renonçant à leur ambition de proposer des explications et des interprétations aux causes premières, débarrassées des applications métaphysiques cartésiennes, voient leurs recherches encouragées par l’église. En affirmant la réalité « du système du monde » de Newton, mais en estimant en même temps que toutes les disciplines ne sont pas encore arrivées à maturité, ils dégagent la nécessité de les intégrer dans un tout cohérent. Ils justifient aussi que chaque domaine de recherche doit être rendu indépendant d’un autre à condition qu’y soient appliquées la même manière de procéder et la même méthode hypothético-déductive. Des sociétés savantes scientifiques sont créées à travers toute l’Europe. Elles assurent grâce à la langue commune, le latin puis le français, la diffusion de toutes les découvertes.
Cette physique newtonienne est accueillie avec l’enthousiasme de la nouveauté, et l’un de ses grands succès est venu de Clairaut, mathématicien et astronome français du XVIIIème siècle, qui a prédit en appliquant les lois de Newton de la gravitation, que la comète découverte par Halley en 1682 va apparaître avec une période augmentée de 618 jours par rapport à la précédente (518 jours par attraction de Jupiter, 100 jours par action de Sature) et donne exactement la trajectoire qu’elle allait suivre. Toutes les classes sociales en Europe attendaient avec un égal intérêt la réapparition annoncée, et la prédiction de l’illustre mathématicien s’était accomplie dans le temps et dans l’espace.
Toutes les activités et les débats scientifiques qui s’en sont suivis transparaissaient dans des réalisations culturelles du XVIIIème siècle, du genre Encyclopedia Britannica et l’Encyclopédie de Diderot et D’Alembert : faire la somme de l’information scientifique et technique, nécessité d’un certain esprit critique envers l’universalité des lois scientifiques. L’échec des opposants à la théorie newtonienne n’a pas fini seulement par lui donner de nouveaux arguments de renfort et de soutien, mais d’avoir des adeptes jusqu’à la fin du XVIIIème siècle.
Principe de Fermat
Un aspect particulièrement étonnant est la possibilité d'interpréter également ces lois de Snell-Descartes en termes de moindre parcours, et plus précisément en termes de moindre temps.
C'est le juriste français Pierre de Fermat (1601-1665) qui a introduit cette interprétation, source tout à la fois pour lui de questionnements fondamentaux sur la « raison » de ce moindre parcours, et d'une approche théorique très puissante initiée par Clairaut et généralisée par Euler en plein milieu du XVIIIème siècle : c’est le principe dit de moindre action.
- Enoncé du Principe de Fermat : « La lumière se propage d'un point à un autre sur des trajectoires telles que la durée du parcours soit stationnaire. ». Là encore, une analogie mécanique peut aider à comprendre pourquoi durée de parcours et trajectoire brisée sont intimement liées.
Lorsqu'un rayon parcourt une distance d dans un milieu d'indice n, on appelle chemin optique et on note L, le produit de la distance et de l'indice. Si un rayon change de milieu et parcourt une distance d1 dans un milieu d'indice n1 et une distance d2 dans un milieu d'indice n2, alors le chemin optique parcouru est est la somme des deux produits d1n1 et d2n2.
On remarque alors que le chemin que parcourt un rayon pour aller d'un point à un autre correspond toujours à un extrémum de L : ligne droite dans un milieu donné, et réfraction suivant la loi de Snell-Descartes lorsqu'il change de milieu. Notons qu’il s’agit là d'une constatation, d'une conséquence, et non d'une cause. Mais ce principe est très puissant et peut être généralisé à beaucoup d'approches de la physique. En optique, il permet de calculer le trajet dans un milieu d'indice variable. On a jusqu'ici considéré des milieux homogènes et isotropes, dans lesquels la vitesse de la lumière était la même partout et dans toutes les directions. Mais il existe des milieux dans lesquels la vitesse de la lumière, donc l'indice de réfraction, varie de manière continue, par exemple l'air.
Grimaldi et la découverte
de la diffraction
L’œuvre de Francesco Grimaldi (Bologne 1618-1665) est publiée en 1663, date au cours de laquelle Grimaldi a découvert la diffraction comme propriété nouvelle de la lumière et lui a donné ce nom encore appelé inflexion par Newton. Pour avoir fait cette découverte, Grimaldi a eu l’idée de ne laisser entrer dans l’enceinte d’expérimentation qu’un très fin filet lumineux et de le faire tomber sur un cheveu. Sur un écran, il observa l’ombre du cheveu qui n’est ni parfaitement définie ni bordée de la zone de pénombre habituelle mais limitée par des franges colorées. C’est un phénomène jamais décrit auparavant. Pour s’assurer de l’existence réelle de ce nouveau phénomène, Grimaldi l’a étudié systématiquement en faisant varier les conditions expérimentales : le fin pinceau lumineux rencontre toute sorte d’objets minuscules et les résultats sont des figures invariables. En essayant toutes les interprétations données à la nature de la lumière en cours, Grimaldi n’a trouvé satisfaction dans aucune d’elles : puisqu’elles ne permettent pas de résoudre les incohérences et les impossibilités qu’elles révèlent et en particulier la théorie cartésienne du fluide lumineux qu’il a rejetée. Il a aussi repris la théorie ondulatoire toute récente, qui lui paraît aussi insatisfaisante car, elle lui permet d’expliquer seulement les couleurs. Le problème de la nature physique de la lumière reste sans résolution lorsque Grimaldi meurt prématurément en 1665. Son œuvre est cependant essentielle en ce qu’elle a permis une découverte fondamentale : la diffraction.
Erasme Bartholin et la double
réfraction de la calcite
En 1669, Erasme Bartholin (1625-1698), médecin danois, introduit un traité faisant date dans l’histoire de l’optique : « A Sa Majesté sacrée, Roi de Danemark... : l’expérience sur le cristal biréfringent inondant les terres nordiques, mystère de dioptrique, spectacle entièrement nouveau sur terre...». Dans ce style utilisé à l’époque, il y décrit des cristaux de calcite rapportés d’une expédition d’Islande. Leur grande taille, leur parfaite transparence ne peuvent laisser inaperçue une propriété vraiment étrange : ils dédoublent les images des objets, des textes, sur lesquels ils sont posés.
Les observations faites sur la calcite ont permis à Bartholin d’écrire : « A double image correspond une double réfraction... l’une qui envoie vers l’œil une image fixe a été nommée Réfraction Ordinaire, l’autre qui transmet de l’objet à l’œil une image mobile est appelée Réfraction Extraordinaire. D’où ce cristal est appelé Birefringent... L’image qui apparaît fixe peut s’expliquer par les lois habituelles de la réfraction..., mais celle qui suit le mouvement de la lame révèle une sorte extraordinaire de réfraction... qui est contraire aux lois de la réfraction habituelle, que l’écartement des images varie comme l’épaisseur traversée». Huygens en a donné l’interprétation en démontrant que leur angle diffère de 2°23’. L’hypothèse de l’interprétation avancée est vivement critiquée par Newton qui a tout fait pour démolir toute l’œuvre de Huygens.
Galilée et Descartes parents de la
méthode scientifique moderne
Avec l’introduction de deux ingrédients : la méthode rationnelle cartésienne et la déduction hypothético-déductive de Galilée, la physique moderne est née. Qui sont ces deux ingrédients? Ces deux ingrédients sont une partie de l’histoire de la physique rationnelle moderne, caractérisée par deux dates.
En 1632, Galilée développa dans son ouvrage Dialogo, une base rationnelle de l’héliostatisme : les mêmes lois physiques s’appliquent à tout l’univers selon le principe d’un monde unifié avec de nouvelles méthodes d’expérimentation et de géométrisation.
En 1637, Descartes publia le discours de la méthode, qui a contribué à cette nouvelle phase marquée en philosophie et en physique, pour conduire sa raison et chercher la vérité dans les sciences : il faut douter systématiquement, et ayant recours à l’expérience et au langage mathématique, préférer la science aux idées reçues. Cette nouvelle science est née grâce à la lunette de Galilée. On peut retenir des contenus de ces propos, la mise en œuvre de nouvelles méthodes de travail caractérisées par :
- un raisonnement logique et déductif portant en lui sa propre possibilité de vérification ou de remise en cause;
- s’interroger sur la nature de la lumière et la matière et le monde ainsi que leur fonctionnement avec des expériences conçues en fonction des théories élaborées;
- une synthèse d’idées autour d’une double discipline, l’expérience et la déduction, qui vont amener au développement de pensée sous forme de méthode rationnelle et scientifique. Avec l’introduction de cette méthode, c’est la voie au développement de l’instrumentation scientifique qui s’est ouverte, d’où l’apparition de la science basée sur l’expérience ou la science expérimentale.
* Professeur de physique et directeur
de 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
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