Histoire de la lumière 5

XVIIème et XIXème siècles : la lumière est-elle ondes ou corpuscules ?

Le problème de la nature de la gravitation agite le début du siècle des Lumières. La théorie de Newton, introduisant des causes finales (Dieu) dans la physique apparaît inacceptable aux Clairaut, d’Alembert, Euler, qui veulent la prendre en défaut. Par contre Voltaire, après son séjour forcé en Angleterre, en revient newtonien convaincu. Bientôt, les succès des prévisions de la mécanique newtonienne sur la forme de la terre, la précession des équinoxes, la prévision, vérifiée, du retour de la comète de Halley, finissent par entraîner la conversion de la plupart des savants du continent, hypothèse théologique en moins. Laplace met au point un système du monde newtonien dispensant de l’intervention divine, faisant de la gravité une propriété inhérente de la matière, expliquant tous les faits physiques de l’infiniment grand (l’univers) à l’infiniment petit (la lumière) par l’action de forces s’exerçant sur des masses dans un espace vide. La théorie corpusculaire de la lumière l’emporte. Pourtant, Euler met au point une théorie ondulatoire mathématisée, par laquelle il fait de la lumière des ondes sinusoïdales se propageant dans l’éther et des couleurs des ondes de mêmes fréquences (il forge ce mot par analogie avec le son).

A l’heure même où la physique newtonienne s’impose sur le continent, en Angleterre, un médecin, Thomas Young, se tourne vers une théorie ondulatoire. En préparant, à Berlin, sa thèse de spécialité par laquelle il décrit les rôles des oreilles interne et moyenne, il pend connaissance de l’approche d’Euler. Rentré dans son pays, il veut résoudre les contradictions qu’il trouve dans Newton et se pose le problème mécanique suivant : dans l’eau, la rencontre d’ondes produit ou une augmentation ou une diminution des mouvements de la surface. Qu’en est-il de la lumière ? Pour répondre, il fait passer un faisceau par deux trous, les rayons issus de ceux-ci se superposant dans une zone de l’espace. Il observe alors (1802) des franges alternativement sombres et claires : de la lumière ajoutée à de la lumière peut donner de l’obscurité, ce qui n’est pas explicable par la théorie corpusculaire, mais peut l’être par la théorie des ondes, croit-il prouver. Ce résultat et son interprétation sont violemment rejetés par les savants anglais, malgré la somme de preuves que fournit Young, incapable de mathématiser à une époque où l’analyse envahit la physique.

Dix ans plus tard, en 1814, en France, Arago reçoit un mémoire dont l’auteur, Augustin Fresnel, a étudié chez des Oratoriens la physique de Descartes. La théorie newtonienne de la lumière, apprise à Polytechnique, ne l’a pas convaincu. Nommé ingénieur des Ponts et Chaussées, il écrit des « rêveries » destinées à renverser le système de Newton qui « radote », dit-il… Bientôt Fresnel croit tenir une piste : une onde contourne un obstacle… Sans avoir lu ses devanciers, il a l’idée de se placer dans une pièce obscure, de faire tomber sur un cheveu un mince pinceau lumineux obtenu en perçant un trou dans un volet, et de regarder l’ombre… celle ci est bordée de franges, dont l’aspect ressemble aux ondes de l’eau. Ce sont ces observations – qu’il croit être le premier à faire – que Fresnel adresse à Arago. Celui-ci l’encourage : Fresnel précise ses observations, écrit les équations de propagation des ondes, prévoit les positions et les intensités des franges, vérifie par l’expérience. La concordance des prévisions et des observations est excellente. L’Académie des sciences  composée surtout de newtoniens  couronne son mémoire sur la « diffraction », mais la majorité de ses membres se refuse à remettre en cause Newton pour l’ombre d’un cheveu !

Bientôt, Arago et Fresnel s’attaquent au problème de la double réfraction de la calcite, restée mal expliquée : en superposant deux prismes de calcite, on obtient, à partir d’un rayon incident, quatre faisceaux émergents. Mais en tournant le second cristal sur lui-même autour de la direction d’incidence, on voit varier les intensités des quatre rayons émergents et, pour deux positions particulières, les intensités de deux d’entre eux deviennent nulles, il n’a plus que deux rayons. Huygens avait rendu compte partiellement de ce phénomène. Les newtoniens avaient cru pouvoir l’expliquer en supposant aux corpuscules de lumière des formes : il y aurait orientation des pôles des corpuscules dans la calcite, « polarisation »… une explication que ne peuvent retenir Fresnel et Arago. Après bien des efforts, Fresnel parvient à trouver une solution : la seule direction qui reste constante au cours de la rotation du cristal est celle des rayons incidents. Or, une onde est toujours associée à des vibrations. Dans le son, les vibrations sont longitudinales, dirigées selon la direction de propagation. Si les vibrations lumineuses étaient longitudinales, donc dirigées selon le rayon incident, aucun effet ne pourrait être produit en tournant un cristal autour de cette direction constante. Les vibrations sont donc transversales. Fresnel calcule et justifie cette intuition. Satisfait, il publie ses résultats… mais Arago lui-même refuse de suivre son ami dans ses « acrobaties ». Pourquoi cette réticence ? Dans les milieux fluides (eau, air) les seules vibrations que l’on connaît sont longitudinales. Les vibrations transversales ne sont connues que dans des milieux visqueux. Pour admettre l’explication de Fresnel, il faut admettre que la lumière nous parvient des étoiles, que ses ondes sont transmises dans un éther emplissant l’espace, que cet éther est mécaniquement analogue à de la gelée visqueuse, mais que la terre circule librement dans l’espace au milieu de cette gelée sans être freinée… C’est que l’éther passe librement au travers de notre globe propose Fresnel : on comprend les refus !

Quelques années plus tard, en 1849, après la mort de Fresnel, Foucault et Fizeau, indépendamment l’un de l’autre, parviennent à mesurer la vitesse de la lumière dans l’eau, dans le verre : elle est moins grande que dans l’air, comme le prédit la théorie ondulatoire, contrairement aux conclusions de la corpusculaire. Cette « expérience cruciale » permet, croit-on, de rejeter définitivement celle-ci, obligeant les physiciens à admettre la théorie de Fresnel, et à se pencher sur les bien curieuses propriétés de l’éther.