Les cours d’optique et l’éther chez Jamin
L’éther en tant que milieu de propagation des rayonnements lumineux est connu des élèves, et régulièrement mentionné dans les leçons d’optique. Nous détaillons ici ces leçons, en commençant par les cours de Jamin. Dans l’introduction citée plus haut (voir page 161), Jamin oppose l’électricité, avec une théorie des deux fluides qui n’est qu’ « une suite d’hypo-thèses » à celle de l’optique. Jamin sous-entend-il que la théorie optique est mieux fondée ? S’il ne le dit pas explicitement, nous pouvons le supposer aisément, car la théorie optique est alors largement acceptée. Néanmoins Jamin souligne que « la transmission des secondes ne peut être attribuée qu’à un fluide hypothétique, l’éther ».36
La distinction faite ici entre l’électricité et l’optique est particulièrement intéressante, notamment car elle va évoluer de façon significative. Cette introduction date de 1873, l’année même où Maxwell rédige son Treatise, il est donc normal de ne pas rapprocher de façon évidente optique et électricité, et encore moins de parler de théorie électromagnétique de la lumière. Cependant, si le programme des cours reste sensiblement le même, le contenu diffère selon les professeurs.
On trouve le programme du cours d’optique dans le « Programme des enseignements intérieurs » de l’école, avec un schéma qui reste similaire sur la période de 1874 à 1898 : la vingtaine de leçons portant sur l’optique peut être divisée en quatre parties à peu près égales. L’une porte sur « l’étude des radiations », comportant analyse spectrale, radiations lumineuses et thermiques, ainsi que les phénomènes de phosphorescence et de fluorescence. Une deuxième aborde les hypothèses sur la nature de la lumière, la vitesse de la lumière, ainsi que les phénomènes d’interférence. Une troisième traite des propriétés de la lumière polari-sée, alors que la dernière étudie la double réfraction dans les cristaux (le terme « d’optique anisotrope » n’étant pas encore employé dans les programmes).37
Une certaine liberté d’enseignement étant laissée au titulaire des chaires de physique, ces parties sont abordées à des stades de l’année différents selon les professeurs. Pour Jamin, le cours d’optique débute directement par une explication des théories de la lumière, bien qu’elle soit très sommaire. Ainsi, commence-t-il par :38
36. Jamin 1873, p. 1.
37. Voir les programmes d’enseignement intérieur : École Polytechnique 1874, p. 54-55, École Polytechnique 1886, p. 14 et École Polytechnique 1898, p. 12-13.
Théorie de l’émission – D’après Newton la lumière est produite par des molécules très ténues lancées par chaque corps lumineux. Dans cette théorie deux lumières de natures différentes sont considérées comme dues à des molécules de diverses espèces.
Théorie des vibrations – Dans cette théorie la lumière est due à un mouvement particulier en vibration qui a [lieu] par l’intermédiaire d’un fluide hypothétique ou éther.
Par la suite, Jamin ne revient pas sur ce point : il n’aborde la question des deux théories qu’en traitant le problème de la réflexion et de la réfraction, et de leurs lois. Le reste de cette première partie porte sur la vitesse de la lumière, avec les calculs de Rœmer, les expériences de Fizeau et de Foucault. Dans le reste du cours, Jamin traite des thèmes imposés par le programme, avec l’analyse spectrale, la polarisation et la double réfraction.
Le cours d’optique de Potier
L’approche très rudimentaire de Jamin concernant la partie du cours sur la nature de la lumière peut être confrontée à celle de son successeur, Alfred Potier. Dans le cours qu’il donne à Polytechnique de 1881 à 1895, Potier fait une place plus importante aux théories de la lu-mière, et prend le parti inverse de Jamin. Il commence par aborder l’optique géométrique : après la partie sur l’acoustique, la partie optique débute au paragraphe §86 par les lois de la réflexion et réfraction, ainsi que les mesures d’angles, puis avec les « actions chimiques et phosgéniques » (fluorescence et phosphorescence). À partir du §104 il aborde l’analyse spec-trale, où il associe les « radiations calorifiques » aux « radiations lumineuses », en étudiant la contribution du spectre infra-rouge. Après une partie sur la vitesse de la lumière, repre-nant les expériences déjà mentionnées par Jamin, la partie intitulée « Théorie de l’émission — Théorie des ondulations » débute au §115 par un passage en forme de justification pour l’introduction de ces théories :39
Nous avons établi l’identité de la lumière et de la chaleur rayonnante. Celle-ci se transforme par absorption, et élève la température des corps qui l’absorbent, en augmentant leur énergie. Si donc le principe de la conservation de l’énergie est exact, et s’étend à tous les phénomènes naturels, la lumière est une des formes de l’énergie.
Nous ne pouvons comprendre cette énergie sans support, et comme résidant dans le néant ; deux hypothèses ont été faites sur la manière dont cette énergie peut se propager dans l’espace.
Cette approche révèle l’intérêt pédagogique d’aborder la question de la nature de la lu-mière à la fin du cours : le lien entre les radiations calorifiques et lumineuses a déjà été fait lors de l’étude des spectres. On en déduit que la lumière est une forme de l’énergie, ce qui justifie l’introduction d’un milieu vecteur. Potier continue en résumant les deux théories, de façon plus détaillée que son prédécesseur :40
Hypothèse de l’émission adoptée par Newton, et dont le dernier défenseur (première partie de ce siècle) a été Biot. Les sources lumineuses projettent des corpuscules ténus dans toutes les directions, les rayons lumineux sont les trajectoires de ces corpuscules, assez fins pour circuler à travers les molécules de corps transparents, mais arrêtés par le tissu plus serré des corps opaques ; l’individualité des radiations d’indices différents nous obligerait aujourd’hui à admettre autant d’espèces de cor-puscules que de rayons.
Hypothèses des ondulations, soutenue notamment par Descartes, Huyghens, Young, et enfin par Fresnel, dont les travaux l’ont fait triompher définitivement. Tout l’es-pace est occupé par une substance à laquelle on a donné le nom d’éther ; aussi bien ce que nous appelons le vide que les corps transparents ou opaques ; dans ceux-ci toutefois les propriétés de l’éther paraissent modifiées, soit qu’il est condensé au-tour des particules pondérables ; soit que celles-ci participent à ses mouvements. Une source lumineuse est pour l’éther dans cette théorie, ce qu’est un corps sonore pour l’air, c’est-à-dire l’origine d’ondes qui propagent un mouvement vibratoire et périodique. Nous attribuerons à l’éther une masse et une élasticité.
Outre une explication un peu plus détaillée des deux théories que celle trouvée chez Ja-min, on peut relever deux points importants dans les propos de Potier. D’une part, il y mentionne les « propriétés de l’éther », notamment lorsque celui-ci est à l’intérieur des corps, ce qui met en avant le problème du lien entre l’éther et la matière (en lien avec le coefficient d’entraînement partiel de l’éther). Parmi ces propriétés, l’omniprésence de l’éther entraîne naturellement une difficulté à définir ce « vide » que Potier évoque. D’autre part, on retrouve
40. Ibid., les accentuations sont de Potier. Les différents auteurs mentionnés par Potier sont dans l’ordre : Isaac Newton, 1642-1727 ; Jean-Baptiste Biot, 1774-1862 ; René Descartes, 1596-1650 ; Christian Huyghens, 1629-1695 ; Thomas Young, 1773-1829 et Augustin Fresnel, 1788-1827. Ce dernier a notamment introduit l’idée d’entraînement partiel de l’éther (voir page 179).
l’analogie entre la propagation du son dans l’air et celle de la lumière dans l’éther, comme chez Jamin, ce qui justifie le choix de garder dans une même année les cours d’acoustique et d’optique, domaines que l’on peut regrouper sous la bannière de « physique des ondes ».
Cette comparaison entre acoustique et optique apparaît à plusieurs reprises dans la suite du cours. Ainsi, lorsque Potier aborde les lois de la réfraction et de la propagation d’une onde, il donne une vision mécaniste de l’éther où sont assignés des mouvements (position, vitesse) à des particules d’éther :41
De même que les vibrations d’un corps sonore se propagent dans l’atmosphère, nous supposerons que les ébranlements, les perturbations apportées en un point à l’état d’équilibre de l’éther, se propagent à travers celui-ci avec une vitesse déterminée, de telle sorte que tous les points situés à une même distance du centre d’ébranlement se trouvent en même temps, à recevoir les mêmes mouvements.
Un peu plus loin, dans un paragraphe portant sur les « objections à la théorie des ondula-tions », Potier énonce que l’indice optique (défini comme le rapport des vitesses dans le vide et dans le milieu) diffère selon la couleur, pour un milieu donné, et en déduit que la vitesse de propagation de la lumière dépend de la période τ . Il utilise à nouveau la comparaison avec l’acoustique, en faisant l’analogie avec la propagation le long d’une corde. Il constate que la vitesse d’une onde dans une corde ne dépend de la fréquence que dans le cas où le milieu (ici la corde) n’est plus homogène. Cherchant à donner une explication théorique à la dispersion optique, il continue :42
Si, par exemple, dans un milieu pondérable les propriétés de l’éther, le milieu qui propage spécialement la lumière, sont modifiées par la présence des molécules matérielles, que la distance de celles-ci ne soit pas négligeable par rapport aux longueurs d’onde des vibrations lumineuses, la vitesse de propagation des ondes ne sera plus indépendante de la période ; et cette influence négligeable en acoustique, à cause de la grandeur des lambda peut cesser de l’être en optique.
L’analogie entre optique et acoustique rentre donc constamment en jeu dans les démons-trations et les interprétations des lois. Si le principe de raisonnement basé sur les surfaces d’onde est appliqué dans les deux cas, Potier détaille tout de même certaines limites de la
41. Potier 1887, p. 174 § 117, les italiques sont nôtres.
comparaison. D’une part, il attribue à l’éther « une masse et une élasticité », ce qui implique un raisonnement sur un éther solide, alors que la propagation du son se fait dans un fluide (avec des ondes purement longitudinales). D’autre part, les ordres de grandeur des quantités fondamentales diffèrent totalement, par exemple pour la longueur d’onde. Cette différence a des conséquences importantes sur la façon de considérer le milieu de propagation : alors que celui-ci peut être considéré comme homogène en première approximation pour une onde sonore, il ne peut pas l’être pour une onde lumineuse de par la présence des molécules de la matière.
Concernant le deuxième point abordé par Potier dans l’introduction, à savoir le lien entre l’éther et la matière ordinaire, les explications sont beaucoup moins fréquentes, et ne rentrent manifestement pas dans le cadre du cours. Potier n’en parle qu’à une seule reprise, dans un paragraphe portant sur « l’entraînement des ondes par la matière pondérable », dans lequel il aborde l’expérience de Fizeau et donne le coefficient d’entraînement partiel de l’éther. Il n’aborde le problème du lien entre éther et matière qu’au début, en soulignant que c’est « une question très importante au point de vue des relations entre la matière pondérable et l’éther ». Il est important de garder à l’esprit que lorsque Potier donne son cours à Polytechnique, il rédige des articles à propos de la théorie de Maxwell, et participe à la traduction du Traité ; les remarques sur la modification locale des propriétés de l’éther due à la présence de molécules matérielles s’inscrivent dans un raisonnement typiquement maxwellien. Pourtant il n’en fait aucune mention dans ses cours. Il n’évoque pas non plus l’expérience de Michelson de 1881, qu’il connaît bien puisqu’il a lui-même apporté une correction aux calculs de Michelson (en tenant compte du temps de propagation sur la branche transversale, voir page 110).
En comparant les cours de Jamin et de Potier on passe d’un cours d’optique n’abordant que les questions « pratiques » d’optique, concernant l’optique géométrique, la polarisation ou la double réfraction, à un cours qui propose également une partie plutôt développée sur la théorie de la lumière. Il apporte en outre des précisions sur le rôle de l’éther, bien que celui-ci soit cantonné à un rôle de milieu de propagation — similaire à l’air pour le son — et qu’on ne se pose pas en détail la question de sa nature. Avec le troisième enseignant, Henri Becquerel, on franchit un palier supplémentaire dans les explications apportées sur l’éther. Le cours d’optique de Becquerel
Becquerel reprend le cours de physique à partir de l’année 1894-1895. Rappelons qu’à partir de cette année là, les programmes ont été inversés et que le cours d’optique est
dé-sormais fait en première année. De manière générale on constate une importance croissante donnée aux expériences et aux théories les plus récentes au sein du cours. Cela se retrouve au début de la partie « Optique », qui est un historique des expériences sur la mesure de la vitesse de la lumière, où l’on retrouve l’expérience de Foucault avec la roue dentée, reprise par l’astronome américain Simon Newcomb en 1882 alors directeur du Nautical Almanac Office. Ces expériences sont d’ailleurs détaillées au sein du cours.43
Après une partie sur l’analyse spectrale et la phosphorescence, Becquerel aborde la partie sur les théories de la lumière.44 Par rapport à ses prédécesseurs, il se montre beaucoup plus disert sur l’histoire des théories de la lumière, et mentionne entre autres Newton, Descartes, Huyghens, Biot et Fresnel ; mais également François Arago, ou Léon Foucault, qui n’étaient pas souvent mentionnés dans l’historique des travaux sur les théories de la lumière. L’autre nom important est celui de Maxwell, qui apparaît pour la première fois en optique, de même que sa théorie électromagnétique de la lumière. Becquerel présente cette théorie comme équi-valente à celle de Fresnel :45
Dans ces vingt dernières années, Maxwell a été conduit à proposer une nouvelle théorie, dite théorie électromagnétique de la Lumière, qui ne diffère pas en prin-cipe de la théorie des ondulations qui conduit à des formules identiques à celles que Fresnel avait établies, et dont le caractère est d’identifier à des manifestations élec-triques les phénomènes périodiques qui constituent la Lumière. Nous ne pourrons aborder ces questions qu’à la fin du cours d’électricité.
Becquerel souligne le fait que l’étude de cette théorie ne peut se faire que dans le cadre du cours d’électricité, qui est maintenant réservé pour la seconde année d’étude. La théorie de Maxwell est cependant mentionnée pour la première fois dans le cours d’optique, tout en étant une théorie basée sur l’étude des phénomènes électriques.
Concernant le rôle de l’éther, Becquerel donne également plus de détails que Jamin et Potier. Dans le paragraphe traitant de la « Théorie des ondulations », il reprend la défini-tion de l’éther, l’analogie avec le son dans l’air, mais précise que cette analogie présente des limites. Nous reprenons la première partie de ce paragraphe :46
43. Becquerel donne comme référence bibliographique pour Newcomb les Astronomical Papers de 1885. Voir aussi Roseveare 1982.
44. Sur l’analyse spectrale nous ne pouvons qu’évoquer le fondateur de l’observatoire de Meudon, Jules Janssen. Voir Flammarion 1908. Henri Becquerel était (très) bien placé pour évoquer la phosphorescence, dont le précurseur n’était autre que... son propre père, Edmond Becquerel (voir page 246).
45. Becquerel 1896, p. 201-2.
Pour se rendre compte de la propagation de la Lumière, on suppose tout l’espace occupé par une substance à laquelle on a donné le nom d’Ether. Cette substance pénétrerait tous les corps. Les phénomènes lumineux seraient dûs à des perturba-tions périodiques se propageant par ondes. Un corps lumineux serait par rapport à l’Éther ce qu’un corps sonore est dans l’air, c’est-à-dire l’origine d’ondes propa-geant des mouvements vibratoires périodiques. On attribue à l’Éther une masse et une élasticité. Il serait inexact de l’assimiler à un fluide, car on verra que les déplacements de l’Éther qui correspondraient à la lumière devraient être des dé-placements transversaux, et qu’au point de vue optique, ce milieu ne paraît pas propager de vibrations longitudinales. Pour les fluides on a µ = 0. Pour l’Éther on aurait λ + 2µ = 0 (voir note).
Enfin, le dernier point sur lequel Becquerel insiste par rapport à ses prédécesseurs est celui du lien entre la matière et l’éther. Pas discuté chez Jamin, et simplement évoqué comme « très important » chez Potier, il bénéficie d’un paragraphe entier chez Becquerel. Ainsi on trouve le paragraphe « entraînement partiel des ondes lumineuses par la matière pondérable », dans lequel il commence par poser le problème de la vitesse de l’éther par rapport à la matière :47
On peut se proposer de rechercher si le milieu qui transmet les ondes lumineuses, l’Éther, est lié à la matière pondérable, et si, lorsque la matière est en mouvement, la vitesse de translation a quelque influence sur la vitesse de propagation de la lumière.
Si l’éther était lié à la matière pondérable, la vitesse de la matière devrait s’ajouter ou se retrancher à la vitesse de la lumière, comme il arrive pour la propagation des ondes sonores dans l’air ; la vitesse du son est augmentée ou diminuée de celle du vent. Si les deux milieux sont indépendants la vitesse de la matière doit être sans influence sur celle de la lumière. Fresnel en étudiant certaines particularités du phénomène de l’aberration avait été conduit à admettre que l’entraînement des
sont fait référence sont les coefficients de Lamé utilisés en théorie des matériaux (vu par les étudiants dans des cours précédents). Une déformation à µ = 0 correspond à une dilatation pure sans cisaillement, une déformation à λ + 2µ = 0 correspond à un cisaillement pur sans changement de volume.
ondes lumineuses par la matière pondérable devait être partiel, et que si l’on désigne par u la composante de la vitesse d’un corps transparent dans la direction de la propagation de la lumière par n l’indice de réfraction pour la longueur d’onde des radiations considérées, et par v la vitesse de la lumière dans le corps ; la vitesse de propagation des ondes entraînées au lieu d’être
v + u était v + u
1 − n12
la vitesse de propagation par rapport à la matière en mouvement étant v − u
n2
Dans la suite Becquerel explique en détail l’expérience de Fizeau qui a permis d’illustrer l’entraînement partiel de l’éther (voir Annexe n°3).
De l’étude des trois cours d’optique successifs donnés à Polytechnique entre 1874 et 1900, il ressort une nette progression en ce qui concerne l’enseignement des théories de la lumière. Elles sont très rapidement abordées chez Jamin, plus détaillées chez Potier, bien que ce der-nier ne traite pas les expériences les plus récentes. À l’inverse, Becquerel prend le parti de discuter des notions plus récentes comme la théorie de Maxwell, ou la répétition par Michel-son en 1879 de l’expérience du miroir tournant de Foucault (même si l’expérience connue comme celle de Michelson et Morley sur la détection du vent d’éther n’est pas mentionnée chez Becquerel non plus).48
La théorie électromagnétique de la lumière : de Potier à Becquerel
La théorie électromagnétique de la lumière arrive à Polytechnique pour l’année 1893-94, lorsque Potier s’occupe du cours de deuxième année (il s’agit d’ailleurs de sa dernière année en tant qu’enseignant). Le cours de deuxième année abordant toujours l’acoustique et l’optique, cette nouvelle partie est ajoutée à la toute fin du cours d’optique. Elle est constituée de deux chapitres. Le premier, relativement court chez Potier, relate les expériences récentes sur les