La vraie nature de la lumière : une quête jamais terminée

Michèle Leduc (laboratoire Kastler Brossel)

L’année 2016, décrétée Année Internationale de la lumière par l’ONU, a vu le monde entier illustrer de multiples façons les bienfaits qu’apporte la lumière dans la vie des hommes sur la Terre. L’article de Costel Subran dans cette Lettre retrace les événements qui ont, à cette occasion, marqué le public dans toutes les régions de France. A Paris une journée « art et science », organisée avec l’Ecole Polytechnique et Gérard Mourou, a retracé au Louvre, en novembre 2016, l’impact sur la peinture pré-impressionniste de la théorie ondulatoire de la lumière, formalisée par Augustin Fresnel au 19ème siècle. Cela m’a donné l’occasion de retracer à grands traits les théories concernant la « vraie » nature de la lumière, qui n’ont pas cessé d’évoluer au cours des siècles, faisant l’objet de maints débats passionnés et même à plusieurs reprises de retournements spectaculaires.

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Depuis l’Antiquité l’Homme a cherché à faire entrer ses conceptions sur la lumière dans un cadre rationnel. L’ombre portée par les obstacles sur le trajet d’une source lumineuse est en général l’outil premier de la compréhension. 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 (il nous en reste quelque chose lorsque nous parlons de «jeter un coup d’œil »…). 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 et que la lumière est quelque chose qui va de l’objet à l’œil « comme une balle à l’extrémité d’une flèche ».

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Les débuts de l’optique classique au 17ème siècle sont à relier à l’invention de la lunette d’approche constituée par l’assemblage de deux lentilles, perfectionné par Galilée qui y adjoint des supports. 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 connaissait 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 une conception mécaniste de la lumière, avec 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.


Ce dernier phénomène ne sera interprété qu’avec la théorie ondulatoire de la lumière, issue des premiers travaux pionniers de Huyghens au 17ème siècle, qui voyait la lumière « comme une sorte d’ébranlement qui se propage en cercles dans un milieu étendu à partir de la source et qui est capable de se renforcer par addition ». 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, où il étudie les battements entre ondes sonores de hauteur différente et montre que deux ondes peuvent se renforcer par interférence, mais aussi se détruire. De même 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.
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Toutefois les savants français de cette époque restent attachés à la vision mécaniste de Newton pour la lumière comme pour l’Univers. Il faudra que Fresnel, mis au défi, réussisse avec Arago en 1819 la fameuse expérience dite du « point blanc de Poisson » (une tache lumineuse apparait au centre de l’ombre portée par un obstacle placé sur le trajet d’un faisceau, résultant de la diffraction sur les contours de cet obstacle) pour convaincre les académiciens français de la validité de la théorie ondulatoire de la lumière.

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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 19ème 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 de l’électromagnétisme, 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-delà (Roentgen découvre la radiographie avec les rayons X en 1895) et dans le domaine des ondes radio avec Hertz en 1885.

Pourtant nul n’aurait pu prévoir alors la révolution en physique que suscita l’avènement de la théorie quantique au 20ème siècle. Déjà Planck avait imaginé les quanta d’énergie hν pour interpréter le spectre du corps noir. Il revint à Einstein d’inventer en 1905 le concept de quantum de lumière, baptisé photon en 1926, pour expliquer l’effet photoélectrique, ce qui lui valut plus tard le prix Nobel. Il semblait qu’il y a avait là un retour en arrière à la théorie corpusculaire de Newton dont la fausseté avait été démontrée. Les quanta lumineux d’Einstein rencontrèrent à leur tour le scepticisme des plus grands physiciens, tels que ceux réunis par le fameux congrès Solvay de 1911.


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Assis (de g. à dr.) : Walther Nernst, Marcel Brillouin, Ernest Solvay, Hendrik Lorentz, Emil Warburg, Jean Baptiste Perrin, Wilhelm Wien, Marie Curie et Henri Poincaré.
Debout (de g. à dr.) : Robert Goldschmidt, Max Planck, Heinrich Rubens, Arnold Sommerfeld, Frederick Lindemann, Maurice de Broglie, Martin Knudsen, Friedrich Hasenöhrl, Georges Hostelet, Édouard Herzen, James Jeans, Ernest Rutherford, Heike Kamerlingh Onnes, Albert Einstein, et Paul Langevin.

Il fallut 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 a été 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 20ème 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.



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 clair qu’il reste encore beaucoup à découvrir sur la vraie nature de la lumière.

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