Utilisateur:Démosthène/Brouillons/Histoire de l'Optique

L'histoire de l'optique est une partie de l'histoire des sciences. Elle essaie de retracer l'origine et l'évolution des idées, des méthodes, des hommes et des connaissances en optique.

Le terme optique vient du grec ancien τα ὀπτικά et correspond initialement à la science de tout ce qui est relatif à l'œil, bien qu'elle ait finalement glissé vers la science de la lumière.

L’ optique débute avec la fabrication de lentilles en Égypte ancienne et en Mésopotamie. Les premiers travaux théoriques ont lieu en Grèce Antique et en Inde parallèlement au développement de l'instrumentation dans le monde gréco-romain. D’abord stimulée par l’astronomie, l’optique classique subit des évolutions majeures à la fin du Moyen Âge et à la Renaissance, notamment grâce aux travaux d’Alhazen, de Newton, de Descartes et de Fermat. C’est également à cette époque que débutent les discussions concernant la nature de la lumière, entre autres grâce à l’observation des phénomènes d’interférences et de diffraction. Restée pendant longtemps une science séparée du reste de la physique, les théories sont finalement unifiées grâce à l'émergence de l'électromagnétisme à la fin du 19e siècle. Au début du 20e siècle, l’optique est bouleversée par l’émergence de la mécanique quantique et de la relativité. Largement développée depuis, l’optique moderne englobe notamment l'optique géométrique, l'optique ondulatoire, l’optique quantique et l’optique atomique.

Antiquité modifier

la lentille Nimrud Assyrie - diam 38 mm - vers 750 av JC - (British museum)

défense de Syracuse par Archimède. (Giulio Parigi - Italie vers 1600 )

Égypte ancienne et Babylone modifier

Les premiers travaux d'optique pratique visent la mise au point de lentilles et remontent aux anciens Égyptiens et Babyloniens. Les premières lentilles optiques furent fabriquées sous l'empire assyrien et sont antérieures à -700^[1] : il s'agissait de cristaux polis. La plupart du temps de quartz.

Des lentilles similaires furent fabriquées par les anciens Égyptiens, les Grecs et les Babyloniens.

Empire romain et Grèce Antique modifier

Les Romains et les Grecs remplissaient des sphères de verre avec de l'eau pour en faire des lentilles (verre ardent) destinées à allumer le feu. L'usage des lunettes pour améliorer la vision ne semble pas avoir été beaucoup pratiqué avant le Moyen Âge.

Au sujet de la vision, les anciens étaient partagés en plusieurs camps.

Les « intramissionnistes », tels Épicure pensent que les objets envoient des émanations (simulacres - εἴδωλα) qui parviennent aux yeux de l'observateur. Parmi eux, les atomistes considéraient que ces émanations étaient des atomes ténus.
À l'inverse, les « extramissionnistes » estiment que les yeux projettent un flux qui permet la perception de l'objet par une sorte de contact, à l'instar du toucher.
Pour d'autres savants antiques, sorte de compromis entre ces deux positions extrêmes, la vision résulte d'une interaction entre émanations des objets et flux visuel. C'est déjà l'opinion d'Empédocle au V^e siècle av JC. Pour Ptolémée, par exemple, la vision résulte d'une interaction entre le flux visuel issu des yeux (visus en latin) et les émanations caractérisant compacité lumineuse et couleur. S'il ne recèle pas par lui-même de luminosité, l'objet doit être éclairé, stimulé en quelque sorte, pour que l'interaction se produise^[2]. L'Optique de Ptolémée ne nous est malheureusement pas parfaitement connue, car elle ne nous est parvenue que par l'intermédiaire d'une traduction latine^[3], elle-même issue d'une traduction arabe assez imparfaite et incomplète^[4] : le livre I, qui contient la théorie de la vision, est perdu. Son propos est cependant connu par un bref résumé au début du livre II et les grandes lignes de sa théorie de la vision peuvent aussi se déduire d'indications éparses dans le texte^[5]. Au côté de Ptolémée, c'est-à-dire au nombre de ceux qui tentent une synthèse des deux courants anciens, il faut également ranger le médecin gréco-romain Galien qui fonde son opinion de l'observation anatomique de l'œil. Pour lui le corps émet un flux visuel qui interfère avec l'image de l'objet pour produire la sensation de vision. Ce flux part du nerf optique et se divise en de multiples ramifications à la manière d'un petit filet (retina). La fusion des deux flux s'effectue dans le cristallin.

Euclide modifier

Le plus ancien ouvrage connu évoquant la lumière de manière scientifique est intitulé Catoptrica et fut rédigé par Euclide autour de 280 avant Jésus-Christ. A cette époque, le mécanisme de l’imagerie de l’œil et la nature de la lumière sont encore inconnus, mais certains principes émergent, comme par exemple la propagation de la lumière en ligne droite dans les milieux homogènes^[6].

Dans son ouvrage, Euclide résume le savoir de l’époque concernant la lumière. Par exemple, la loi de la réflexion est indiquée de manière quantitative, et elle était déjà connue à l’époque de Aristote, soit près de cent ans auparavant. Il s’agit d’une loi empirique, affirmée sans démonstration^[6].

Dans la continuité des travaux de Platon, Euclide propose également un modèle dans lequel la source des «rayons» lumineux n’est pas l’objet observé mais l’oeil: les «rayons» partent de l’oeil et sont interceptés par l’objet. Dans ce modèle, la lumière est donc d’une part totalement géométrique, et d’autre part uniquement définie par rapport à l’observateur: il n’est pas possible de parler de lumière ailleurs que dans le champ de vision de l’observateur^[6].

De plus, la vitesse de la lumière est considérée comme infinie: en effet, lorsque l’observateur ouvre les yeux, il voit instantanément des étoiles très distantes ce qui semblait justifier la vitesse infinie de la lumière^[6].

À la même époque, Archimède a très certainement travaillé dans ce domaine, même si la réalité historique de ses célèbres miroirs embrasant les vaisseaux ennemis est plus douteuse.

Héron d'Alexandrie modifier

Au premier siècle après Jésus-Christ, Héron d’Alexandrie rédige ses Catoptriques, ouvrage dans lequel il rationalise la propagation en ligne droite de la lumière grâce à une analogie avec la mécanique. En effet, d’après le Principe d’inertie, en supposant que la lumière se propage à vitesse infinie, on impose une vitesse constante: il ne peut donc pas y avoir de changement de trajectoire. En effet, si la trajectoire était différente d’une ligne droite, il y aurait une évolution dans les composantes du vecteur vitesse^[6].

De plus, Héron d’Alexandrie est le premier à parler chemin minimal parcouru par la lumière, seul principe de cette époque qui reste encore valide aujourd’hui. Fidèle à la tradition grecque, il utilise une méthode géométrique et l’idée que la vitesse de la lumière est infinie pour démontrer sa thèse. Cette démonstration est en réalité inexacte car fondée sur des arguments incorrects^[6].

Comme Euclide, Héron d’Alexandrie pensait que la lumière partait de l’oeil et venait heurter l’objet. Mais, par chance, la propagation en ligne droite de la lumière ainsi que le principe de retour inverse (compris bien plus tard) permettent à son explication de fonctionner malgré des hypothèses fausses. Il démontre également de manière graphique l’égalité des angles incident et réfléchis à la surface d’un dioptre^[6].

Ptolémée modifier

Au deuxième siècle après Jésus-Christ, Ptolémée rédige une Optique^[7]. Il y traite des propriétés de la lumière, notamment de la réflexion, de la réfraction, et singulièrement de la réfraction atmosphérique, ainsi que de la couleur. Ses travaux sur la réflexion portent tant sur les miroirs plans que sur les miroirs sphériques. En ce qui concerne la réfraction, s'il ne parvient pas à en définir la loi fondamentale, il montre que l'angle de réfraction croît à mesure que croît l'angle d'incidence et il établit des tables pour l'air et l'eau^[8]. Il découvre que l’angle réfracté est en lien avec la densité du milieu et trouve empiriquement une loi polynomiale de la forme^[6]:

$\theta \prime =a\theta -b\theta ^{2}$

Avec a et b deux constantes liées au milieux de part et d’autre du dioptre, θ l’angle incident et θ’ l’angle réfracté.

Cette loi fonctionne pour les petits angles, mais devient fausse lorsque les angles augmentent. Néanmoins, c’est sous cette formulation qu’elle a été utilisée pendant près de 1500 ans^[6].

Chine et Inde anciennes modifier

Les anciens Chinois et Indiens ont également développé des connaissances non négligeables en optique. Cependant, leur histoire se présente plutôt comme celle de branches parallèles, car à la différence des savants grecs et arabes, les connaissances en optique des anciens savants indiens et chinois n'ont que très peu influencé le spectaculaire développement de cette science qui s'est effectué en Europe de la Renaissance au début du XX^e siècle. En conséquence, l'impact de leurs découvertes sur l'optique contemporaine est faible.

Période musulmane modifier

Al-Kindi et Ibn Sahl modifier

Dessin de Ibn Sahl : première mention de la loi de la réfraction : considérant les triangles rectangles (en haut à gauche), le rapport des deux hypoténuses est une constante du système.

Les premiers travaux d'importances furent ceux d'Al-Kindi (vers 801–873) : dans De radiis stellarum (traduction latine), il développe la théorie que « toute chose dans le monde [...] émet des rayons dans toutes les directions, ce qui remplit le monde entier »^[9].

Puis Ibn Sahl (vers 940-1000), mathématicien persan à la cour de Bagdad, écrit un traité vers 984 sur les miroirs ardents et les lentilles dans lequel il expose comment les miroirs courbes et les lentilles peuvent focaliser la lumière en un point. On y trouve la première mention de la loi de la réfraction redécouverte plus tard en Europe sous le nom de loi de Snell-Descartes^[10]. Il utilisa cette loi pour établir la forme de lentilles et miroirs capables de focaliser la lumière sur un point de l'axe de symétrie.

Alhazen modifier

Mais, dans ce domaine de l'optique, le plus influent des savants arabes est Ibn al-Haytham, plus connu en Occident sous son surnom d'Alhazen. Il prend pour base les théories antiques, mais parvient à les soumettre à l'arbitrage de la réalité par de nombreuses expériences, souvent très simples mais très ingénieuses, qui lui permettent d'étayer son argumentation. Il conclut en particulier, et pour la première fois sur des bases à peu près bien fondées, qu'il convient de concevoir l'œil comme un récepteur et non un émetteur. Il revient sur le rôle du cristallin et assimile l'œil à une chambre noire environ 500 ans avant que Léonard de Vinci n'ait l'idée du sténopé. Alhazen étudie également la vision binoculaire et est également le premier à penser que la lumière se déplace à vitesse finie et en particulier que cette vitesse est plus élevée dans les milieux de faible densité^[6]. Son œuvre majeure Kitâb fi'l Manazîr (Traité d'optique 1015 - 1021), traduite en latin par Vitellion constitue la base de l'optique occidentale pendant le bas Moyen Âge et la Renaissance.

La vision de l'optique selon Alhazen reste cependant inexacte car elle est très largement inspirée par des analogies avec la mécanique. Dans son modèle, la lumière doit être représentée sous forme de petits grains soumis à des forces de surface (notamment) qui permettent d'expliquer les lois de la réflexion et de la réfraction. La plupart de ses affirmations sont correctes, mais fondées sur des arguments inexacts^[6].

Alhazen est le savant perse souvent considéré comme le père moderne de l'optique, de la physique expérimentale et de la méthode scientifique^[11]^,^[12]^,^[13]^,^[14]. Il peut être vu comme un des premiers physiciens théoriques^[12]. Il a notamment travaillé sur des expérimentations révélant que la lumière se propage en ligne droite et sur diverses applications tel que: le comportement des miroirs, la réfraction et la vision humaine. Une traduction latine d'une partie de ses travaux, le Traité d'optique^[15], a exercé une grande influence sur la science occidentale.

Cette époque marque le développement de la théorie et de l'observation et le développement de l'instrumentation pour l'observation astronomique.

Moyen Âge et Renaissance modifier

Œuvre fondatrice de Newton, "opticks" est publié en 1704.

Au XVII^e siècle, l'optique géométrique voit l'évolution de la compréhension de l'oeil (Kepler), une explication claire de la formation de l'arc-en-ciel grâce aux lois de la réfraction, la formalisation du principe de Fermat, la découverte de la biréfringence du spath d'Islande par Rasmus Bartholin et une première mesure de la vitesse de la lumière par Ole Christensen Rømer.

D'autre part, la naissance de l'optique ondulatoire apparaît avec le principe de principe de Huygens, tandis que la nature corpusculaire est fermement défendue par Isaac Newton, lequel observe également les anneaux de Newton et définit la notion de cercle chromatique.

D'autre part, la lunette astronomique de Galilée est développée, le microscope est créé par Leeuwenhoek et Newton développe le téléscope.

Durant la Renaissance, le développement de divers instruments d'optique (lunette astronomique, télescope, microscope) est à la base de véritables révolutions scientifiques. Que l'on pense à la théorie de Copernic confirmée par les observations du système solaire par Galilée, ou à la découverte des animalcules grâce au microscope par de multiples savants dont le Hollandais Antoni van Leeuwenhoek est probablement le plus connu.

Les problèmes liés à la perception visuelle ne s’excluront du champ d'étude de l'optique qu'à la fin de la Renaissance, les précurseurs que sont Kepler et Descartes mêlant encore les deux notions.

Toutefois c'est avec Christian Huygens et surtout Isaac Newton que l'optique connaît des développements théoriques importants : Newton à l'aide de prismes et de lentilles montre que la lumière blanche peut être non seulement diffractée jusqu'à être décomposée en plusieurs lumières de différentes couleurs, mais même recomposée (cercle chromatique de Newton - voir aussi spectre lumineux). Il produit la première théorie solide de la couleur et met également en évidence les phénomène d'interférence (anneaux de Newton). Ses travaux le conduisent à supposer une nature corpusculaire à la lumière. Vers la même époque, Huygens développe les idées de Descartes et postule au contraire la nature ondulatoire du phénomène (voir principe de Huygens), initiant ainsi l'optique ondulatoire.

Cette époque voit en Europe la redécouverte des travaux antiques et arabes (Vitellion), le progrès de l'optique géométrique, la naissance de la théorie de la perspective (voir article perspective conique) ainsi qu'intérêt accru pour la connaissance de l'œil en tant qu'organe de la vision.

Descartes, Snell et Grimaldi modifier

Avec Pierre de Fermat et Isaac Newton, René du Perron Descartes est l'un des principaux fondateurs de l'optique géométrique.

Pour la plupart de ses travaux, la vision de la lumière selon Descartes est géométrique: tous les phénomènes observés se traduisent en termes de rayons lumineux. Ses travaux, exposés dans La dioptrique se concentrent sur la compréhension des phénomènes optiques aux interfaces. Il y expose notamment la formulation exacte de la loi de la réfraction^[6].

Pour prouver la loi de la réfraction, il utilise une analogie entre l’optique et la mécanique. La lumière n’est plus un rayon mais prend un aspect corpusculaire: il interprète la lumière comme un ensemble de petits grains de lumière et parvient, grâce aux lois de la mécanique du point, à trouver les relations exactes pour la réflexion (loi déjà connue longtemps auparavant mais jamais prouvée de cette manière), et de la réfraction. De nouveau, les arguments avancés dans la preuve sont inexacts, mais le résultat est correct^[6].

Parallèlement aux travaux de Descartes, Willebrord Snell établit indépendamment la loi de la réfraction en 1621. Ses travaux sont cependant publiés bien plus tard et ont une approche plus expérimentale que ceux de Descartes. La loi de la réfraction est donc généralement appelée loi de Descartes en France, loi de Snell dans les pays anglophones, voire loi de Snell-Descartes^[6].

Fermat et Römer modifier

Pierre de Fermat est principalement connu pour sa formulation du principe de Fermat, principe qu’il n’est en fait pas le premier à avoir proposé (Héron d’Alexandrie l’avait déjà évoqué). Il s’agit d’un principe, dans le sens ou Fermat constate que la nature agit selon une équation mathématique mais il ne fournit pas d’explication du phénomène^[6].

En 1664, Fermat indique dans une lettre scientifique qu’il constate que la nature agit toujours en prenant le plus court chemin. Sa compréhension du phénomène est que la nature cherchant la simplicité, elle emprunte le chemin le plus court parce qu’il est le plus facile. Poursuivant son idée de facilité du chemin, il introduit la ‘’résistance optique’’, une caractéristique du milieu permettant d’expliquer la réfraction. De plus, avec Ole Christensen Rømer, il est un des premier à affirmer que la vitesse de la lumière est finie. Il pense d’abord que la lumière est inversement proportionnelle à la résistance optique du matériau, puis que la résistance optique doit être elle-même proportionnelle à la densité du matériau^[6].

Fermat parvient également à redémontrer la loi de Descartes en utilisant des hypothèses totalement différentes de celles de Descartes. Cette loi est ainsi, pour la première fois, démontrée avec des hypothèses exactes^[6].

Quelques années plus tard, Rømer démontre que la vitesse de la lumière n’est pas infinie en observant les satellites de Jupiter. Il observe que la période du satellite est plus longue lorsque la Terre est éloignée de Jupiter, ce qui impose une valeur finie pour la vitesse de la lumière^[6].

Newton modifier

Contemporain à Descartes et également très impliqué dans le développement de la mécanique, Newton interprète les phénomènes lumineux en termes de forces. Cela lui permet de faire une analogie avec la mécanique du point, certes inexacte dans son principe, mais le conduisant à des résultats corrects^[6].

En 1704, il publie Opticks, ouvrage qui sera considéré par ses pairs comme la description la plus précise de la lumière de son temps. Newton ayant exercé une très large influence dans le milieu de la physique de son époque, les suppositions selon lesquelles la lumière pouvait être une onde furent écartées pendant près d’un siècle car il ne retint pas cette idée^[6].

Opticks est l’occasion de rassembler les résultats d’expériences concernant la réfraction, mais également ceux des phénomènes d’interférences, restés sans explications à l’époque car ils nécessitent un modèle ondulatoire. En utilisant des prismes, il réalise également des expériences de colorimétrie et parvient à décomposer le spectre de la lumière blanche^[6].

Selon Newton, la lumière est interprétable de manière corpusculaire: les faisceaux lumineux qui se propagent dans l’ether sont une succession de grains de lumière dont la taille est reliée à la couleur^[6].

Newton est également célèbre pour son observation des anneaux de Newton, bien qu’ils aient été en fait observés pour la première fois près de quarante ans auparavant par Robert Hooke. Le dispositif pour observer ses franges était constitué d’une lentille plan-convexe posée sur une surface plane (côté bombé sur le plan). Le phénomène n’est pas expliqué à son époque car Newton ne connaît pas la nature ondulatoire de la lumière, il admet néanmoins que l’épaisseur d’air joue un rôle déterminant dans de phénomène. Newton sait qu’il est possible d’interpréter la lumière en terme d’onde, mais il réfute cette interprétation car la lumière pourrait alors se diffuser, comme le son, et obtenir une ombre serait alors impossible. Ainsi, il explique le phénomène (qui est en fait un phénomène d’interférences) en supposant qu’il existe des chemins plus faciles que d’autre pour traverser le système: ainsi, certaines zones sont noires et d’autres sont brillantes^[6].

Huygens modifier

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XVIII^e siècle modifier

XIX^e siècle modifier

La première photographie couleur par J. C. Maxwell - 1861 - La couleur a été obtenue par la superposition de trois clichés pris successivement avec trois filtres. Elle est restituée par l'utilisation de trois projecteurs!

Au XIX^e siècle, Thomas Young à l'aide de ses nouvelles expériences d'interférence et suite à la découverte du phénomène de polarisation repose la question de la nature de la lumière. Mis au courant, Augustin Fresnel reprend et perfectionne la théorie de Huyghens, et peut rendre compte de la totalité des phénomènes optiques connus. La théorie de Newton est abandonnée et la lumière est conçue comme une vibration d'un milieu très ténu dans lequel baigne l'espace : l'éther. Les découvertes de Hertz et les illustres travaux de Maxwell permettent vers la fin du siècle d'unifier optique et électricité dans un corpus plus large, celui de l'onde électromagnétique :

le domaine optique du spectre lumineux n'est en fait qu'une petite partie du spectre électromagnétique
l'onde lumineuse devient porteuse de l'interaction électrique et magnétique, l'optique devient vectorielle; le phénomène de propagation est décrit par la variation d'un champ de vecteurs.

Stigmatisme (Gauss)
Polarisation - (Brewster, Malus)
optique ondulatoire (Thomas Young, Augustin Fresnel)
Théorie de la diffraction - fentes de Young, interférence (Fraunhofer, Airy, Rayleigh)
Mesures de la vitesse de la lumière, expérience de Fizeau, (Léon Foucault, Hippolyte Fizeau)
Effet Doppler-Fizeau
Découverte de l'infrarouge - (Herschel) - et de l'ultraviolet - (Johann Wilhelm Ritter)
Trichromie (Helmholtz ; Maxwell)
Théorie de l'onde électromagnétique - (Hertz, Maxwell, etc.)
Aberration sphérique et coma des images (Ernst Abbe)
Diffusion de la lumière (Rayleigh, )
Spectroscopie - réseaux - Gustav Kirchhoff
Prismes et miroirs semi-réfléchissants
Prisme de Nicol
Photographie
Débuts de la photogrammétrie

Début XX^e siècle modifier

Un interféromètre de Michelson - Type d'appareil utilisé dans l'expérience de Michelson Morley, qui a montré que la vitesse de la lumière en provenance des étoiles ne dépendait pas de la vitesse absolue de la terre dans l'espace - L'interprétation de cette expérience par A. Einstein a donné naissance à la théorie de la relativité.

Le début du XX^e siècle voit à nouveau une révolution dans la physique avec l'apparition presque simultanée de deux théories fondamentales : la mécanique quantique et la relativité. L'hypothèse des particules de lumière reprend une partie de son ancien lustre, et la nouvelle théorie admet le caractère à la fois ondulatoire et corpusculaire de la lumière. En revanche, on a moins besoin de l'éther dont l'existence est abandonnée. L'optique quantique, dont le laser est probablement la plus éminente application, voit le jour.

L'optique étant véritablement au cœur de la physique du XX^e siècle, qui est pour une grande part une physique du rayonnement, ses plus grands noms en sont ceux des physiciens généraux : Albert Einstein, Max Planck, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac, etc.

Vitesse de la lumière : Expérience de Michelson-Morley
Théories d'Albert Einstein de la relativité restreinte et de la relativité générale
Effet photo-électrique, relation de Planck-Einstein
principe de l'émission stimulée (Einstein)
Mesures précises de la vitesse de la lumière - métrologie - nouvelles définition du mètre
Les ondes de matière (Einstein, De Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Dirac, Bose, Fermi...)
Optique électronique (Microscope)
Optique de Fourier, optique métaxiale

Période contemporaine modifier

Laser bleu : faisceau de lumière quasi-monochromatique et cohérente.