La biréfringence En 1669, Érasme Bartholin (1625/1698), savant danois, décrit dans un traité les mer- veilleuses propriétés du spath d’Islande (calcite), un cristal qu’on trouve dans les contrées nordiques et qui fait subir à un rayon lumineux une double réfraction : le rayon, lorsqu’il pénètre dans le cris- tal, se divise en deux rayons, réfractés à des angles différents. Ainsi, l’image qu’on observe à travers un tel cristal est dédoublée. Cette propriété de biréfringence, Newton et Huygens tentent de l’expliquer à l’aide de leurs théories, Newton avec moins de succès que Huygens. Ce dernier suppose que deux types d’ondelettes sont émises en chaque point : une ondelette résultant du seul mouvement de l’éther et une autre résultant du mouvement de l’éther combiné à celui des particules microscopiques du cristal. Les premières donnent naissance au rayon ordinaire et les deuxièmes au rayon dit extraordinaire. Il n’empêche que la lumière apparaît comme un phénomène un peu plus compliqué qu’on ne le croyait d’abord !
La polarisation Au début du XIXe siècle, on s’intéresse de nouveau à la biréfringence. L’institut de France promet un prix à celui qui réussira à produire une théorie mathématique de la double réfraction qui soit «vérifiée par l’expérience». Étienne Louis Malus (1775/1812) reprend les expériences de Huygens sur la combinaison de deux cristaux de calcite et s’aperçoit que le rayon qui pénètre dans le deuxième cristal ne se dédouble pas si les deux cristaux ont la même orientation ! Il découvre aussi que lors- qu’un rayon réfléchi au préalable par une vitre traverse le cristal de calcite, les deux rayons réfractés dispa- raissent tour à tour lorsqu’on fait tourner le cristal. Ceci est incompréhensible dans la théorie de Huygens (version XVIIe siècle) où la lumière est considérée comme une onde de compression. Malus retourne donc à une théorie corpusculaire et suppose que les particules de lumière ont une certaine orientation propre appelée polarisation. Les rayons ordinaire et extraordinaire ont des polarisations différentes et des vitesses différentes. Malus reçoit le prix de l’Institut.
Thomas Young et les interférences
Thomas Young (1773/1829) était un homme supérieurement intelligent et un esprit éclectique : il parlait plusieurs langues anciennes et s’attaqua au déchiffrement des hiéroglyphes égyptiens. Sa profession de médecin ne l’empêcha pas d’apporter des contributions cruciales à la physique. Son principal mérite est d’avoir réalisé une expérience démontrant que la lumière est hors de tout doute une onde (cf. Fig.5.4) : il fait traverser à un faisceau de lumière une petite ouverture pratiquée dans un premier écran (A). De l’autre côté de A, une onde sphérique est générée en vertu du principe de Huygens. Cette onde traverse deux fentes pratiquées dans un deuxième écran (B) et deux ondes sphériques sont générées, qui se superposent dans cette région, de manière parfois constructive, parfois destructive et l’intensité lumineuse observée sur l’écran C n’est pas partout la même : on observe en fait des franges colorées (franges d’interférences).
A
B
C
Figure 5.4
Schéma de l’expérience de Young.
Young interprète correctement les franges colorées en attribuant aux différentes couleurs des longueurs d’onde différentes. Si on réalisait son expérience avec une seule couleur, les franges d’interférence seraient très nettes. Young donne aussi une nouvelle explication, correcte cette fois, au phénomène des anneaux de Newton et aux couleurs observées sur les films minces, comme les bulles de savon. Notons que la présence du premier écran (A) dans l’expérience de Young est essentielle, sinon le phénomène d’interférence disparaît : la lumière donnant naissance aux ondes qui interfèrent doit provenir d’une seule source (en termes techniques, elle doit être cohérente). Ceci est vrai pour toutes les expériences d’interférence et de diffraction.
A. Visions de la lumière
Fresnel Augustin Fresnel (1788/1827) reprend les expériences de Young sans le savoir et découvre les mêmes phénomènes. Fresnel n’a lu ni Huygens, ni Young, ni Malus (il ne lit ni le latin, ni l’an- glais et ne peut déchiffrer les travaux de Young qu’on lui envoie). Cependant, il sait très bien calculer et fait ce que Huygens ne pouvait faire : il tire les conclusions mathématiques de la théorie ondulatoire. Il suppose que les ondes lumineuses sont sinusoïdales et arrive à démontrer mathématiquement l’existence des franges d’interférence. Fresnel poursuit ses travaux en collaboration avec François Arago (1786/1853), savant beau- coup plus éminent que lui, et réussit à prédire à l’avance, à l’aide de sa théorie, les résultats des nouvelles expériences qu’ils réalisent ensemble.
Figure 5.5
Augustin Fresnel (1788/1827)wikipédia
Ces résultats suscitent une grande controverse entre les partisans (majoritaires) de la théorie corpusculaire de Newton et ceux (moins nombreux) de la théorie ondulatoire. L’académie des sciences lance un nouveau concours pour étudier la propagation de la lumière à proximité des obstacles (1819) et Fresnel remporte le prix avec un mémoire magistral. Denis Poisson (1781/1840), partisan de la théorie corpusculaire, objecte que, selon la théorie de Fresnel, il devrait y avoir une tache claire au centre de la zone d’ombre causée par un obstacle circulaire, ce qui lui paraît évidemment absurde. L’expérience est faite et la tache claire est observée ! C’est la victoire de la théorie ondulatoire de la lumière. Cependant, plusieurs, dont Poisson, s’entêteront à enseigner la théorie corpusculaire jusqu’à leur mort…
La seule difficulté de la théorie ondulatoire est le problème des polarisations et de la biréfringence. Fresnel observe que deux faisceaux originaires de la même source, dont l’un a vu sa polarisation tournée par un cristal de calcite, ne produisent pas de franges d’interférence (comme si leurs vibrations ne se combinaient pas). Enfin, il propose, changement majeur, que les ondes lumineuses ne sont pas des ondes de compression longitudinales, mais des ondes transversales. Les différentes polarisations correspondent alors à des oscilla- tions transversales dans des directions différentes. L’idée originale vient d’André-Marie Ampère (1775/1836). Cela suppose que le milieu de propagation (l’éther) est plus semblable à un solide ou à un gel qu’à un liquide. Étant donnée la vitesse énorme de la lumière (300 000 km/s), ce milieu doit être incroyablement rigide et en même temps incroyablement ténu, puisqu’il ne semble pas interférer avec les autres formes de matière. Le dernier clou enfoncé dans le cercueil de la théorie newtonienne de la lumière le sera par Hippolyte Fizeau (1819/1896) et par Léon Foucault (1819/1868) qui les premiers, indépendamment, effectueront une mesure terrestre de la vitesse de la lumière, en 1850. Ces mesures démontrent que la vitesse de la lumière dans l’eau est inférieure à la vitesse dans l’air, contrairement à la théorie corpusculaire et en accord avec la théorie ondulatoire.