9-La polarisation - La physique à Mérici

Comment peut-on bloquer les réflexions de la lumière sur la surface de
l’eau pour mieux voir ce qu’il y a sur le fond de la mer ?
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Découvrez la réponse à cette question dans ce chapitre.

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En 1669, le savant Danois Rasmus Bartholin découvre un phénomène étrange : quand on
place un cristal de calcite sur du texte, on voit le texte en double !
faculty.kutztown.edu/friehauf/beer/ (oui, oui, c’est le bon site)
Les deux images du texte ont exactement la même intensité. On appelle ce phénomène la
double réfraction ou biréfringence, car la séparation de l’image en deux vient du fait que
la réfraction de chaque image est différente quand elles passent dans la calcite. Newton
mentionna que la lumière semble avoir deux aspects différents, un peu comme les deux
pôles d’un aimant, ce qui amena le terme polarisation à cette propriété de la lumière.
Une glorieuse victoire pour la théorie ondulatoire
Un atout pour la théorie corpusculaire
Au départ, la théorie corpusculaire avait alors beaucoup plus de succès pour expliquer la
polarisation. En jouant avec la forme des particules de lumière, on avait fait une théorie
expliquant comment on pouvait avoir deux réfractions différentes dans la calcite selon
l’orientation de la particule de lumière quand elle entre dans la substance. Ce n’était pas
parfait, mais c’était beaucoup mieux que ce que pouvait faire l’autre camp. En effet, les

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partisans de la théorie ondulatoire ne parvenaient pas du tout à expliquer ce phénomène.
C’était d’ailleurs ce qui gardait la théorie corpusculaire en vie après les succès de la théorie
ondulatoire avec l’expérience de Young (interférence) et les travaux de Fresnel sur la
diffraction. Les partisans de la théorie corpusculaire pouvaient toujours répliquer que seule
la théorie corpusculaire fournissait une explication à la polarisation.
De nouvelles observations
En 1808, Étienne-Louis Malus découvrit qu’il y a quelque chose de spécial avec la
biréfringence. On avait toujours cru que les deux images issues de la double réfraction de
la calcite avaient la même intensité. Malus découvrit que ce n’est pas vrai pour la lumière
qui a fait une réflexion sur une surface avant de passer à travers la calcite. En observant la
réflexion de la lumière sur les fenêtres du palais du Luxembourg à Paris à travers un cristal
de calcite (ne me demandez pas comment il en est arrivé à faire ça !), il remarqua que les
deux images n’ont pas la même intensité. On peut également changer l’intensité des deux
images l’une par rapport à l’autre en tournant le cristal et on peut même faire disparaître
une des deux images dans des conditions particulières. Cette découverte relança l’étude de
la polarisation, ce qui permit à des nouvelles idées d’être explorées.
Et si la lumière était une onde transversale?
En 1816, André-Marie Ampère sort finalement la théorie ondulatoire de l’impasse en
affirmant qu’on pouvait expliquer la polarisation si on supposait que lumière était une onde
transversale. C’était un peu bizarre de proposer cela à l’époque. On croyait que la lumière
était une onde matérielle, donc que le passage de la lumière faisait vibrer un milieu matériel
qu’on appelait l’éther (qui n’a rien à voir avec le groupement fonctionnel éther en chimie).
Cette substance devait être présente partout dans l’univers, car la lumière peut se propager
partout dans l’univers. Si on reçoit de la lumière de la galaxie d’Andromède, c’est qu’il
devait y avoir de l’éther partout entre nous et la galaxie d’Andromède. En même temps,
cet éther ne devait faire aucune friction puisque la Terre devait être en mesure de tourner
autour du Soleil sans perdre de vitesse à cause de la friction. Si l’éther avait fait seulement
un peu de friction, la Terre aurait lentement perdu de l’énergie et aurait fini sa course dans
le Soleil. Cette propriété laissait donc penser que l’éther était un fluide et que la lumière
devait être une onde longitudinale, car les ondes transversales sont impossibles dans un
fluide. En proposant que la lumière soit une onde transversale, Ampère proposait aussi que
l’éther devait être rigide. Restait à savoir comment un éther rigide pouvait laisser passer
les objets sans exercer la moindre force de friction…
C’est Augustin Fresnel qui développa cette idée d’onde transversale en 1822. Il obtint alors
des résultats en accord parfait avec les observations. Le dernier bastion de la théorie
corpusculaire venait de tomber, ce qui signifiait la mort de celle-ci et le triomphe de la
théorie ondulatoire. Après 1822, on ne trouve plus aucun partisan d’importance de la
théorie corpusculaire (jusqu’à son retour en 1905… à voir dans un autre chapitre plus loin).

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Toutefois, un certain malaise subsista cependant tout au long du 19
e
siècle : comment
l’éther pouvait-il n’offrir aucune résistance tout en étant rigide ?
Une onde électromagnétique transversale
En 1879, James Clerk Maxwell complète les équations de bases de l’électromagnétisme.
Avec ces équations, il confirme que la lumière est une onde électromagnétique et qu’elle
est effectivement une onde transversale. Pendant environ 25 ans, on tente toujours
d’agencer cette idée avec le concept d’éther avec des complications parfois assez
spectaculaires.
Toutefois, toutes ces études ne servirent à rien puisque Einstein montra en 1905 que la
lumière ne peut être une onde mécanique et que l’éther n’existe tout simplement pas.
En fait, la lumière n’a pas besoin de milieu matériel pour se propager. La lumière est une
onde de champs électrique et magnétique, qui ne sont pas des objets matériels. Sur la figure,
le champ électrique est représenté par les flèches rouges et le champ magnétique par les
flèches bleues.
www.molphys.leidenuniv.nl/monos/smo/index.html?basics/light_anim.htm
Voici une animation du mouvement de cette onde.
http://www.youtube.com/watch?v=4CtnUETLIFs
Ce n’est pas une onde mécanique puisque le passage de l’onde n’entraine pas d’oscillations
d’un milieu. On dit que c’est une onde transversale parce que la direction des champs est
toujours perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde. Bien que ces deux champs
soient toujours présents et perpendiculaires l’un à l’autre, nous ne parlerons, dans les
sections qui suivent, que du champ électrique de l’onde pour simplifier.

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La direction d’oscillation du champ électrique
Avec une onde transversale, nous avons quelque chose qui est impossible avec l’onde
longitudinale : il y a plusieurs directions possibles pour le champ électrique. Quand on
change la direction d’oscillation, on change la polarisation de la lumière. On peut voir sur
l’image suivante différentes directions possibles pour la direction du champ électrique.
www.nikon.com/about/feelnikon/light/chap04/sec01.htm
Dans tous les cas, l’oscillation est perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde,
ce qu’on doit avoir pour l’onde transversale.
Comment cela explique-t-il les différentes observations comme la biréfringence ? C’est
que la lumière n’interagit pas de la même façon avec la matière selon la direction de
l’oscillation de l’onde. Par exemple, dans certaines substances, l’onde qui oscille
horizontalement (on dit qu’elle est polarisée horizontalement) n’ira pas à la même vitesse
que l’onde qui oscille verticalement (on dit qu’elle est polarisée verticalement) parce que
l’interaction avec la matière est différente. Si la vitesse est différente, alors l’indice de
réfraction est différent et les deux polarisations auront des réfractions à des angles
différents.
Séparation en deux composantes principales
Il y a cependant une infinité de directions d’oscillation possibles. Doit-on toute les
considérer pour examiner toutes les possibilités ? Bien sûr que non. On peut travailler avec
deux directions de polarisation principales (par exemple horizontale et verticale) et séparer
toutes les autres en composantes. Par exemple, une polarisation à 45° peut être décomposée