EVOLUTION HISTORIQUE DES IDEES SUR LA LUMIERE ET LES RADIATIONS


<< Qu'est-ce que la lumière ? >> Question à laquelle il est difficile de répondre. A plusieurs reprises on a eu l'impression de posséder la clef de l'énigme mais, chaque fois, la découverte de nouveaux phénomènes vint tout remettre en question.

Pour les Anciens, la lumière était constituée par des tentacules projetées par l'œil, capables de palper les objets. La lumière allait de l'observateur à l'objet. Comme le disait Lucrèce dans son << De natura rerum  >> << Les corps ont des sortes de membranes légères qui se détachent de leur périphérie et volent en tout sens >>

Aristote expliquait le scintillement des étoiles par un tremblement pour atteindre les objets éloignés, tremblement qui ne se produisait pas pour les planètes beaucoup plus rapprochées.

Ce n'est qu'au XVII° siècle - << le siècle de l'optique >> dira-t-on plus tard - que commence l'étude sérieuse de la lumière. A partir de cette époque, l'optique va osciller entre plusieurs théories toujours plus vastes, mais aussi toujours insuffisantes:

1 La théorie de l'émission

2 La théorie ondulatoire

3 La théorie électromagnétique

4 La théorie des quantas

5 La mécanique ondulatoire

Chacune a eu sa période de prospérité puis son déclin. Il est intéressant d'en faire rapidement l'historique de manière à voir pourquoi chaque théorie a cédé le pas à la suivante.

LA THÊORIE DE L'ÊMISSION

La théorie de l'émission est due au physicien Anglais Newton, un des plus grands penseurs de tous les temps.

* Toute source de lumière émet tout autour d'elle des particules matérielles.

* Ces particules s'éloignent en ligne droite ce qui explique le principe de la propagation rectiligne.

* La sensation lumineuse résulte du choc de ces particules sur la rétine.

* Chaque couleur simple provient de corpuscules différents (dispersion).

* Ces corpuscules rebondissent sur les miroirs selon les lois des chocs élastiques exactement comme rebondirait une bille sur un obstacle. L'interprétation des lois de la réflexion est donc immédiate.

* La réfraction de la lumière est plus délicate à interpréter. On y parvient en supposant que la vitesse de propagation des corpuscules varie d'un milieu à un autre. Elle est proportionnelle à l'indice de réfraction v÷n

Pourtant Newton découvre un phénomène rebelle à toute interprétation par la théorie de l'émission. Lorsque de la lumière blanche tombe sur une lame très mince, par exemple une couche d'huile répandue à la surface de l'eau, on aperçoit en général des anneaux colorés.

C'est là un phénomène nouveau, capital, appartenant à la catégorie des phénomènes d'interférences mais si grand était le prestige de Newton qu'il fallut attendre plus d'un siècle et demi pour qu'on abandonne la théorie de l'émission.

Newton a toujours manifesté une certaine hostilité à l'égard des hypothèses. Voici ce qu'il écrit dans son << Traité d'Optique >> publié en 1675.

<< Mon dessein n'est pas d'expliquer les propriétés de la lumière par des hypothèses; je me borne à les énoncer, pour les prouver ensuite par le raisonnement appuyé par l'expérience >>

LA THÊORIE ONDULATOIRE

Parallèlement à la théorie de l'émission se développe la théorie ondulatoire.

Cette théorie est due au physicien hollandais Huyghens et fut perfectionnée par Fresnel.

Elle suppose la lumière constituée par des vibrations se propageant dans un milieu élastique comme le son dans l'air.

Fresnel peut ainsi interpréter les phénomènes de diffraction, d'interférences et de double réfraction que la théorie de l'émission se révélait incapable d'expliquer. Pour la première fois suivant l'expression d'Arago on parvenait à comprendre comment << de la lumière ajoutée à de la lumière donne de l'obscurité >>

D'après cette théorie la vitesse de propagation de la lumière devait être proportionnelle à 1/n, résultat contraire à celui que prévoyait la théorie de l'émission. Qui avait raison ?

En 1850 eut lieu l'expérience cruciale de Foucault. Mesurant expérimentalement la vitesse de propagation de la lumière dans l'eau il trouva qu'elle était proportionnelle à 1/n et non à n. La théorie de l'émission était définitivement condamnée.

La théorie ondulatoire de la lumière supposait l'existence d'un milieu hypothétique l'éther dans lequel les ondes se propageaient. L'éther devait avoir les propriétés d'un solide d'une part puisque seul les solides peuvent transmettre des vibrations transversales. Il doit avoir les propriétés d'un fluide d'autre part, pour ne pas géner le mouvement des astres puisqu'il remplit les espaces intersidéraux.

On aboutissait ainsi à une énormité.

LA THÊORIE ELCTROMAGNÊTIQUE

Pour sortir de l'impasse Maxwell fut conduit à supposer la lumière comme constituée par des vibrations électromagnétiques c'est-à-dire par un champ électrique et un champ magnétique qui se propagent.

L'ensemble de ces deux champs constitue une onde électromagnétique.

Quelques années plus tard le physicien allemand Hertz apportait une confirmation éclatante à la théorie en mesurant la vitesse des ondes qui portent son nom. Il trouva c=300 000 km/s la valeur même que prévoyait Maxwell dans sa théorie.

Il est remarquable de constater que la théorie électromagnétique ne contredit pas la théorie ondulatoire: à la << vibration mécanique de l'éther >> de Fresnel, il suffit de substituer la << vibration électromagnétique >> de Maxwell. Au contraire, elle la précise, elle l'enrichit, elle permet d'expliquer des faits nouveaux: on a vu, en particulier, comment il a été possible de faire rentrer dans le cadre des radiations électromagnétiques, non seulement les radiations visibles et les ondes hertziennes mais encore les radiations infra-rouge et ultra-violettes, les rayons X, les rayons gamma.

La synthèse était réalisée entre l'optique et l'électricité.

La théorie électromagnétique prend tellement d'importance qu'Hertz déclare en 1850 << Qu'est-ce que la lumière ? Depuis Fresnel et Young nous savons que c'est un mouvement vibratoire. Nous connaissons la vitesse, la longueur des ondes. Nous savons qu'elles sont transversales. Nous n'ignorons rien des rapports géométriques de ces phénomènes. Il est impossible de douter de ces résultats. Une contradiction est inadmissible au physicien. La théorie des ondulations est une certitude >>.

Paroles imprudentes et inexcusables car Hertz avec l'effet photoélectrique venait de découvrir un phénomène rebelle à toute explication par la théorie ondulatoire.

LA THÊORIE DES QUANTAS

Pour pouvoir retrouver théoriquement les résultats expérimentaux relatifs au rayonnement du corps noir, l'explication fournie par la théorie électromagnétique aboutissant à un échec total - En effet, si l'émission de la lumière était due à la rotation de l'électron autour du noyau l'électron perdrait petit à petit de l'énergie, tournerait moins vite et la fréquence du rayonnement diminuerait ce qui est faux car on observe dans les spectres optiques des raies de fréquences bien déterminées et d'autre part l'élecrtron finirait par tomber sur le noyau - Planck fut conduit à supposer, à contre-cœur car il admirait les théories précédentes, que les échanges d'énergie enter la matière et le rayonnement ne se font pas d'une manière continue comme le supposait la théorie de Maxwell, mais d'une manière discontinue, par multiples entiers d'une quantité d'énergie élémentaire le quantum de valeur:

w=hv

v fréquence de la radiation h constante universelle h = 6,62*10-34 S.I.

Contrairement à l'adage antique << Natura non facit saltus >> la nature procède par bonds. On échange de l'énergie par quantas exactement comme on gravit un escalier par marches successives

Le grain d'énergie lumineuse est le << photon >> . Einstein peut alors expliquer en 1905 les lois de l'effet photoélectrique, explication qui lui a valu le prix Nobel de Physique en 1921. << La lumière nait et meurt par quanta et se propage par ondes >>

Au point où nous sommes parvenus, l'ensemble des phénomènes de l'Optique semble donc se partager en deux classes bien distinctes:

Ceux qui s'expliquent trés bien par la théorie ondulatoire mais pas du tout par la théorie des photons (interférences,diffraction)

2 Ceux qui au contraire ne peuvent s'expliquer que par la théorie des photons (effet photoélectrique)

Que penser de ces deux conceptions?

LA MÊCANIQUE ONDULATOIRE

Pour concilier ces deux aspects, d'apparence contradictoire, Louis de Broglie, en 1924, fut conduit à imaginer une nouvelle mécanique: la Mécanique Ondulatoire.

D'après cette théorie: à tout corpuscule est associé une onde qui le pilote. Entre la masse du corpuscule et la longueur d'onde de la radiation existe la relation:

Lambda = h/mv

En 1927, Davisson et Germer, apportaient une confirmation éclatante à la théorie en réalisant la première expérience de diffraction des électrons.

Une des conséquences importantes de la Mécanique Quantique est la relation d'incertitude d'Heisenberg:

Delta p. Delta q > = h

où Delta p représente l'incertitude sur la quantité de mouvement et Delta q l'incertitude sur la position du corpuscule. h la constante de Planck.

Concluons cet exposé en posant une question: la Physique moderne restera-t-elle indéterministe au sens d'aléatoire?

C'est ce que l'avenir nous montrera. N'est-ce pas le propre des théories d'être selon l'expression de Jean-Baptiste Dumas: << les béquilles de la science >>. Comme le traduisait Einstein, non sans humour, << le plus incompréhensible, c'est que l'Univers soit compréhensible >>


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