L A VRAIE NATURE DE LA LUMIERE : UNE QUETE JAMAIS TERMINEE

Michèle Leduc

Laboratoire Kastler-Brossel, ENS, UPMC, Collège de France, CNRS leduc@lkb.ens.fr

RÉSUMÉ

La « vraie » nature de la lumière a toujours été un objet d’interrogation au cours des siècles. Nous montrons ici la succession des différents modèles établis par une expérimentation de plus en plus habile et des théories mathématiques de plus en plus précises. Ces modèles ont fait l’objet de maints débats passionnés et même à plusieurs reprises de retournements spectaculaires, jusqu’à aujourd’hui où l’optique quantique et les fluctuations du vide ouvrent de nouveaux espaces à l’imagination, sans mettre un point final à la quête de la connaissance de la lumière.

MOTS-CLEFS :optique ; ondes ; interférences ; quantique

1. DE PYTHAGORE A NEWTON : UNE VISION MECANISTE DE LA LUMIERE

Depuis l’Antiquité l’Homme a cherché à faire entrer ses conceptions sur la lumière dans un cadre rationnel. Les premiers progrès sont liés à l’étude des événements astronomiques tels que les éclipses ou les phases de la Lune. Pythagore conçoit que la lumière se propage en ligne droite mais l’envisage comme allant de l’œil vers la source. Trois siècles plus tard, le traité « Optique » d’Euclide fonde les bases de l’optique géométrique et de la réflexion sur des miroirs pour les rayons visuels, toujours considérés comme distincts des rayons lumineux. C’est Alazen au Caire, vers l’année 1000, qui comprend que les rayons de lumière se propagent en ligne droite de l’objet à l’œil

« comme une balle à l’extrémité d’une flèche ».

Les débuts de l’optique classique au 17^ème siècle sont à relier à l’invention de la lunette d’approche constituée par l’assemblage de deux lentilles, perfectionné par Galilée. Partout en Europe se développent alors simultanément de multiples recherches : à Prague Johannes Kepler indique dans

« Dioptique » en 1610 que les objets forment des images sur le fond de l’œil. Isaac Newton étudie la lumière dans son cabinet à l’aide du prisme dont il décompose et recompose les couleurs. Il connait bien les travaux de ses illustres prédécesseurs tels que Descartes, Boyle ou Hooke. Son célèbre Traité d’Optique paru en 1704 résulte de quarante années d’expériences faites par lui-même.

Il y développe un modèle hétérogène de la lumière blanche où des particules constituent des rayons et possèdent des masses et des vitesses différentes selon les couleurs. C’est ainsi qu’il explique la réflexion et la réfraction à travers un milieu matériel, mais pas la diffraction, pourtant déjà observée par Grimaldi à cette époque.

2. HUYGHENS, YOUNG, FRESNEL, MAXWELL …: LA LUMIERE EST UNE ONDE

Ce dernier phénomène ne sera interprété qu’avec la théorie ondulatoire de la lumière, issue des premiers travaux pionniers de Huyghens au 17^ème siècle, qui voyait la lumière « comme une sorte d’ébranlement qui se propage en cercles dans un milieu étendu à partir de la source ». Un peu oubliée pendant deux siècles, pendant lesquels le prestige de Newton est immense, la théorie ondulatoire de la lumière se développe avec Young par analogie avec ses expériences d’acoustique.

Il trouve que deux ondes lumineuses peuvent interférer et parvient à mesurer les longueurs d’onde correspondant à différentes couleurs. A la même époque Fresnel effectue le calcul mathématique rigoureux des franges d’interférence par addition des fronts d’onde et donne une interprétation complète du phénomène de diffraction. Toutefois les savants français de cette époque restent attachés à la vision mécaniste de Newton pour la lumière comme pour l’Univers. Il faut que Fresnel, mis au défi, réussisse avec Arago en 1819 la fameuse expérience dite du « point blanc de Poisson » pour convaincre les académiciens français de la validité de la théorie ondulatoire de la lumière.

Fresnel travaille aussi sur la polarisation de la lumière, avec Arago et après Biot. Il trouve que le mouvement ondulatoire de la lumière est transversal, et non pas longitudinal comme pour le son. Il fonde ainsi les bases de la théorie de la vibration transversale de la lumière, ouvrant la voie à la théorie classique de la lumière établie à la fin du 19^ème siècle par Mawxell: la lumière est une onde constituée d’un champ électrique et d’un champ magnétique qui se propagent en suivant les fameuses lois dite lois de Maxwell. On découvre alors que le spectre de la lumière s’étend bien au-delà du visible, d’une part dans le domaines des ondes ultra-violettes et au-au-delà (Roentgen découvre la radiographie avec les rayons X en 1895) et dans le domaine des ondes radio avec Hertz en 1885.

3. LA RÉVOLUTION QUANTIQUE

Pourtant nul n’aurait pu prévoir alors la révolution en physique que suscita l’avènement de la théorie quantique au 20^ème siècle. Déjà Planck avait imaginé les quanta d’énergie pour interpréter le spectre du corps noir. Il revient à Einstein d’inventer en 1905 le concept de quantum de lumière, baptisé photon en 1926, pour expliquer l’effet photoélectrique. Il semble qu’il y ait là un retour en arrière à la théorie corpusculaire de Newton dont la fausseté avait été démontrée. Les quanta lumineux d’Einstein rencontrent à leur tour le scepticisme des plus grands physiciens au fameux congrès Solvay de 1911. Il faut pourtant bien se résigner à faire coïncider les deux conceptions : la lumière est à la fois onde et particule. De plus la mécanique quantique est particulièrement subtile : on doit faire intervenir le concept de probabilité pour déterminer la probabilité de trouver le photon à un endroit. La dualité onde corpuscule est ensuite étendue par De Broglie dans sa thèse de 1924 à des particules matérielles telles que des électrons. Et l’histoire ne s’arrête pas là puisque depuis la fin du 20^ème siècle l’optique quantique s’applique à « intriquer » les photons les uns avec les autres et avec la matière, ce qui revient à des interférences de probabilités.

4. OU EST LA VÉRITÉ?

Pour finir, savons-nous aujourd’hui ce qu’est vraiment la nature de la lumière ? On peut certes faire une description mathématique complète et non ambigüe des phénomènes lumineux. On a aussi besoin d’images physiques simples pour stimuler l’intuition : on parle d’ondes, de particules, d’interférences de probabilités, de fluctuations du vide …Il semble probable qu’il reste encore beaucoup à découvrir sur la vraie nature de la lumière.

RÉFÉRENCES

[1] Voir par exemple la revue faite par : B.Maitte “les théories de la lumière dans une science en mouvement“, page 16, dans le numéro spécial de Reflets de la Physique n° 47-48 “Sources et ressources“.

M

'

:

'

’

SIMPLEMENT DES VIBRATIONS PARASITES

A. Escarguel¹, R. Baude¹

1 Laboratoire PIIM, UMR 7345 CNRS, case 322, Université d’Aix-Marseille, av. escadrille Normandie-Niemen, 13397 Marseille Cedex 20, France

alexandre.escarguel@univ-amu.fr

RÉSUMÉ

L’holographie fait partie des expériences de base indispensables à toutes les filières d’optique. Elle a beaucoup d’applications et permet d’illustrer de nombreuses propriétés physiques des rayonnements cohérents. D’autre part, il est très valorisant pour un étudiant de réussir un hologramme, objet de curiosité qui garde toujours une petite part de « magie ». Cependant, il est d’habitude nécessaire d’utiliser un dispositif anti-vibratoire très couteux pour réussir ce type d’expériences. Afin de pallier à ce problème, nous avons réalisé un outil pédagogique pour l’holographie monochrome en 2010 [1, 2, 3]. Très compact, tout le matériel nécessaire est contenu dans une petite mallette. Des expériences d’interférométrie double exposition, de réalisation de filtres « notch » ou de réseaux de diffraction peuvent être réalisé sur une simple table. Cet outil est actuellement utilisé dans plusieurs Masters/Licence de l’Université d’Aix-Marseille et est régulièrement prêté à des établissements du secondaire dans le cadre de leurs projets pédagogiques.

En 2015, nous avons développé une nouvelle version de cet outil, permettant de réaliser des hologrammes couleur plus grands et offrant la possibilité de faire plus d’expériences pour les enseignements en Licence ou Master et dans les écoles d'ingénieurs. L'outil permet aussi chaque année de réaliser des journées de formation continue des enseignants du secondaire et est très fréquemment utilisée pour des actions de diffusion de la culture scientifique.

Le stand permettra de réaliser des expériences d’holographie afin d'illustrer les possibilités de l'outil : multiplexage fréquentiel/angulaire, double hologramme par réflexion/transmission, filtre

« notch », réseau de diffraction.

MOTS-CLEFS : holographie ; interférence ; pédagogie ; travaux-pratiques

RÉFÉRENCES

[1] T. Voslion, A. Escarguel, « An easy teaching tool for holography », Eur. J. Phys. 33 1803–1811 (2012)

[2] Th. Voslion, A. Escarguel, " An easy physics outreach and teaching tool for holography ", International Symposium on Display Holography, MIT Media Lab, Cambridge Massachusetts USA, J. Phys.: Conf. Ser. 415 012001 (2012).

[3] A. Escarguel, «Upgrade of the pedagogic/popular science tool for holography: color holography », 10International Symposium on Display Holography, St Pétersbourg (2015)