La nature de la lumière, d’Euclide à Einstein, entre ondes, photons et dualité

By 2 septembre 2015Astronomie

Depuis des milliers d’années les hommes essayent de comprendre la nature de la lumière. Des premières observations des phases de la lunes aux expériences de téléportation quantique, une histoire passionnante opposera et réunira des savants parmi les plus brillants de leurs époques respectives. Finalement, aujourd’hui une seule certitude: il nous reste encore beaucoup de chose à comprendre…

De la nature corpusculaire de la lumière

Les premières traces de l’étude de la lumière remontent, comme souvent, à la Grèce antique. Avec Euclide, le phénomène est toutefois mal compris et repose plus sur des intuitions et des formulations d’hypothèses pour tenter d’expliquer ses observations: la lumière se propage en ligne droite (vrai), à une vitesse infinie (faux), de l’oeil vers l’objet (faux).

Il rédige le premier ouvrage connu consacré au sujet: Optique aux environs de 280 avant Jésus Christ. On y trouve les premières réflexions autour des phénomènes de réflexion (voir ci dessous). Ptolémée continue le travail d’Euclide en introduisant le principe de réfraction en 140 avant Jésus Christ, sans toutefois pouvoir ni le démontrer, ni donner la formule exacte.

Euclide

Euclide

Les premières idées d’une vitesse finie, dépendant du milieu, et se dirigeant d’une source lumineuse vers l’oeil viennent de Perse avec Alhazen aux alentours de l’an mil. En occident, les premiers verres correcteurs arrivent en Italie dès le XII ème siècle. Les premières lunettes apparaissent à la fin du XVI ème siècle en Italie toujours. En 1610 Galilée en améliore le principe et l’utilise pour regarder Jupiter et découvrir ses satellites.

En 1637 Descartes publie la formule exacte de la loi de la réflexion et de la réfraction (lois découvertes aussi par l’anglais Snell quelques années auparavant). En 1667 Fermat publie son principe « La lumière suit toujours le chemin le plus rapide entre deux points ». Les premières lunettes et premiers télescopes, dont la conception va découler de l’utilisation de ces lois, vont permettre de nombreuses avancées dans le domaine de l’astronomie et de la mécanique céleste.

  • La loi de la réflexion (θ1 = – θ2) indique qu’un rayon est renvoyé par un miroir ou lentille avec le même angle par rapport à la perpendiculaire.
  • La loi de la réfraction (sin (θ1) = n sin (θ2) ) permet de calculer l’angle selon lequel sont déviés les rayons lumineux lors d’un changement de milieu (n étant le rapport des indices de réfraction des milieux – leur capacité à ralentir la lumière par rapport au vide). Ceci explique par exemple pourquoi lorsque nous sommes assis au bord d’une piscine, nos pieds baignant sous l’eau paraissent déformés)
Loi de la reflexion

Loi de la reflexion

Loi de la refraction

Loi de la refraction

En 1704 Newton publie Opticks, qui sera considéré comme la description la plus précise de son temps sur le sujet. Il fait notamment une analogie avec les principes de la mécanique du point qui l’ont rendu célèbre. La lumière est donc tout naturellement vue sous la forme de corpuscules, des grains de lumière qui se déplacent et interagissent avec la matière suivant sa mécanique. Newton découvre la décomposition du spectre de la lumière blanche par un prisme. Il en conclut que les grains de lumière ont des tailles différentes en fonction de leur couleur. (faux)

Malgré tout, Newton reste dans l’incapacité d’expliquer des phénomènes d’interférence, qu’il découvre lui-même. Lorsque l’on place une lentille sur une lame de verre plane et que l’on éclaire le tout, on observe un ensemble de cercles concentriques alternativement sombres et lumineux. Ce phénomène a été découvert par Newton, mais ce dernier ne réussit pas à l’expliquer avec sa vision corpusculaire de la lumière.

Anneaux de Newton. Credit: Wikipedia

Anneaux de Newton

A la nature ondulatoire de la lumière

A cette même époque Huygens propose une théorie ondulatoire de la lumière, qui sera éclipsée par Newton qui défend jalousement sa théorie. Il faut attendre l’orée du XIX ème siècle et l’expérience des fentes de Young en 1802  pour remettre en cause le modèle corpusculaire de Newton.

Fentes de Young

Fentes de Young

Si on éclaire une fente par une source lumineuse et que l’on place derrière un écran, on obtient une « tache » centrée, plus lumineuse au centre, et dont la luminosité décroit sur les bords.

Par contre si l’on fait la même expérience avec deux fentes, cette fois ci, on observe à l’écran une succession de taches lumineuses et de bandes noires. Cela signifie que certaines zones de l’écran sont à la fois éclairées par le rayon venant de la première fente, et par celui de la seconde, et que la superposition des deux peux donner une absence de lumière.

Pour expliquer ce résultat (inexplicable par les grains de lumières de Newton), Young impose un modèle ondulatoire et introduit la notion de longueur d’onde, dont dépendrait la couleur.

Le phénomène d’interférence ne peux être reproduit qu’avec une même source lumineuse que l’on sépare en deux, via les fentes. Suivant la distance au centre sur l’écran, la somme des deux ondes pourra être additive (zone lumineuse) ou destructive (zone sombre), ce qui explique le résultat obtenu par Young.

Interférences d'ondes constructives

Interférences d’ondes constructives

Interférences d'ondes destructives

Interférences d’ondes destructives

Fresnel en 1820 donne une théorie mathématique des interférences et de la diffraction. En 1850 Fizeau propose d’appliquer ce principe à l’astronomie. Encore aujourd’hui de nombreux télescopes utilisent ce principe: plusieurs miroirs recueillent la lumière d’une même source et font interférer entre eux les rayons lumineux. L’étude des franges d’interférences obtenues permet d’obtenir des informations très précises sur les objets observés.

Maxwell publie en 1865 A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field dans lequel il écrit:

« L’accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature et que la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l’espace suivant les lois de l’électromagnétisme. »

L’unification de l’électricité et du magnétisme par Maxwell est une l’une des plus importantes réalisations de la physique moderne. La lumière est désormais une onde qui se propage sous la forme d’un rayonnement (dont le spectre n’est qu’une partie du spectre du rayonnement électromagnétique, qui va des rayons gamma aux ondes radio) à une vitesse constante c (299 792 458m/s dans le vide, valeur qui sera calculée plus tard). La couleur perçue dépend de la longueur d’onde, onde qui est gouvernée par les complexes équations de l’électromagnétisme (dites équations de Maxwell). L’aspect ondulatoire domine désormais et l’aspect corpusculaire de la lumière disparaît.

Spectre de la lumière

Spectre de la lumière

Puis à la dualité onde-corpuscule

Au début du XX ème siècle, la théorie ondulatoire se heurte à un nouveau problème. L’effet photoélectrique, découvert par Hertz en 1887 et consistant à éclairer un métal avec de la lumière,  a pour effet de propager un courant électrique. Le problème est que le courant est certes proportionnel là l’intensité lumineuse, mais il y a un effet de seuil, une quantité lumineuse minimale pour déclencher cet effet, que la théorie ondulatoire est incapable d’expliquer. Einstein résout ce problème en 1905 en réintroduisant une nature corpusculaire à la lumière (sans lui dénier sa nature ondulatoire), qui interagirait avec la matière par quanta d’énergie (les photons – d’ou le phénomène de seuil), s’inspirant des travaux de Planck sur le rayonnement du corps noir (*). Einstein pose la première pierre de la physique quantique et recevra le prix Nobel pour cette découverte.

Albert Einstein

Albert Einstein

Vingt ans plus tard, en 1924, de Broglie (prononcer “de Breuille”)  affirme le principe de dualité onde-corpuscule pour toutes les particules, et non plus seulement les photons. Il recevra le prix Nobel pour cette découverte. La physique quantique révolutionnera le monde, et l’une des expériences fondatrices sera celles des fentes de Young réalisée avec des particules élémentaires qui vont elles aussi interférer entre elles.

La lumière peut être vue à la fois comme une onde, ou comme une particule d’énergie sans masse appelée photon. Si l’optique traditionnelle, utilisée au quotidien par les astronomes pour leurs observations sont principalement fondées sur l’aspect ondulatoire de la lumière, l’aspect corpusculaire est indispensable pour expliquer les phénomènes observés.

(*) Le problème du rayonnement du corps noir fera l’objet d’un article dédié car il permet de comprendre pourquoi les étoiles brillent et nous envoient de la lumière, il est donc fondamental de s’y attarder un peu…

Pour aller plus loin:

Crédits:

  • Photos et schémas sur le spectre de la lumière: Wikipedia
  • Autres schémas: Clodoweg