Avec l`aide de Christian Bracco, Michel Blay
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Augustin Fresnel : la théorie ondulatoire de la lumière Michèle LEDUC Directrice de recherche émérite au CNRS au Laboratoire Kastler-Brossel (ENS, UPMC, CdF) Directrice de l’IFRAF (Institut Francilien de Recherche sur les Atomes froids) Avec l’aide de Christian Bracco, Michel Blay, Olivier Darrigol et Philippe Grangier, Claude Fabre, Serge Haroche Auditorium du Louvre 2 novembre 2015 Les phénomènes lumineux Omniprésents dans la nature Complexes Quelle vision unifiée de tous ces phénomènes ? Premiers pas : l’étude de l’ombre La lumière se propage en ligne droite à partir des sources lumineuses Raisonnements géométriques possibles sur le rayon lumineux Progrès sur la lumière à travers l’astronomie Etude des phases de la Lune, des éclipses… Premiers pas (suite) : la vision Pythagore (-600): Dans la vision la lumière est quelque chose qui est émis par l’œil On « jette un coup d’œil », on « porte son regard sur… » Euclide (-300) Dans l’ « Optique »: Introduit le rayon visuel, distinct du rayon lumineux qui est émis par l’œil et qui est une ligne droite Fondateur de l’optique géométrique lois de la réflexion sur un miroir Les rayons partent de l’objet Ibn-al-Haitham ou Alhazen (Le Caire 1000): La vision se fait par des rayons allant de l’objet à l’œil La lumière est quelque chose qui est émis par l’objet, comme une « balle à l’extrémité d’une flèche» Les débuts de l’optique classique au 17ème siècle Invention de la lunette d’approche L’effet lentille était connu depuis Pline l’Ancien Utilisé au Moyen-Age 1600 : invention de la lunette d’approche par assemblage de deux lentilles 1609 : Galilée améliore l’instrument (lentilles, support) A Prague, à Londres, aux Pays-Bas, en Italie… Johannes Kepler (1571, 1630) « Dioptrique » 1610 Isaac Newton (1668, 1727) « Opticks »1704 Newton : une conception mécaniste de la lumière "Les rayons de lumière, ne sont-ce pas de fort petits corpuscules élancés ou poussés hors des corps lumineux ?« (Opticks, question 29) La théorie explique la propagation lumineuse et la réflexion sur un plan Les corpuscules sont supposés différer par leur masse ou leur volume selon chacune des 7 tonalités principales La théorie explique aussi la réfraction et la dispersion des couleurs par le prisme Réflexion et réfraction déjà étudiées par Descartes (1596, 1650) La théorie de Newton donne une explication des couleurs du prisme la vision par l’oeil Une vue d’artiste… A la même époque, aux Pays-Bas, naissance de la théorie ondulatoire de la lumière « La lumière est 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 » La lumière va moins vite dans la matière Christian Huygens (1629, 1695) Un phénomène encore non expliqué : la diffraction Francesco Maria Grimaldi (1618-1663) « La lumière s’étend ou se répand non seulement en ligne droite, en se réfractant ou en se réfléchissant, mais aussi suivant un quatrième mode, en se diffractant » Franges de diffraction dans l’ombre d’un obstacle (pas observées par Newton) Renaissance au 19ème siècle des idées de Huygens sur les ondes Onde sonore pression temps Thomas Young Battements entre ondes sonores de hauteurs différentes (1773-1829) Deux ondes peuvent se renforcer, mais aussi se détruire Par analogie avec le son : la lumière est une ondulation avec alternance de parties positives et négatives Deux ondes lumineuses peuvent interférer Thomas Young La lumière est une onde Mesure des longueurs d’onde pour différentes couleurs La relation fréquence/ couleur était connue depuis Malebranche (1638, 1715) Calcul mathématique par addition des fronts d’onde Augustin Fresnel (1788, 1827) Ingénieur polytechnicien, passionné par l’optique Fresnel nommé à la commission des phares et des balises Avec les lentilles à échelon de Fresnel Amélioration des lampes et du codage du signal Système généralisé à tous les phares Sous-marin Fresnel, 1929-1942 Fresnel fait la théorie mathématique des ondes de Young et l’applique à la diffraction Il calcule sur les vibrations lumineuses sans en connaître la nature … Il suppose qu’elles ébranlent un milieu matériel appelé « éther » Calculs de Fresnel sur les intensités de lumière en dehors et en dedans de l’ombre géométrique d’un écran Prestige, autorité de Newton jusqu’au 19ème siècle Newton géomètre (William Blake, 1805) Vision mécaniste de l’Univers et de la nature de la lumière Ses théories ne sont pas remises en cause par les savants français (Laplace, Poisson…). Fresnel mis au défit… La théorie ondulatoire se heurte à l’« ordre établi » Objection de Poisson Ecran circulaire (1781, 1840) Il doit exister un point brillant au centre de l’ombre ! (c’est ce que donne le calcul avec les ondes diffractées par l’écran) C’est impossible ! Concours pour le Grand Prix de l’Académie des Sciences (1819) François Arago (1786-1853) Le président Augustin Fresnel (1788-1827) Le candidat Denis Poisson (1781-1840) Un examinateur Arago fait l’expérience du « point blanc » Le point blanc apparait ! Triomphe de Fresnel ! L’expérience du point blanc de Poisson Reproduite par Philippe Grangier avec un laser dans son cours à l’Ecole polytechnique Expérience faite en public en 1819 par Arago Fresnel, les couleurs et la polarisation… Fresnel travaille sur la polarisation de la lumière (après Biot et avec Arago) Il trouve que le mouvement ondulatoire de la lumière polarisée est transversal et non longitudinal (comme celui du son) Théorie de la vibration transversale de la lumière Fresnel ouvre la voie à la théorie classique de la lumière La lumière est une onde électromagnétique ‘ “…light and magnetism are affections of the same substance and light is an electromagnetic perturbation propagated through the field according to electromagnetic laws…” James Clerk Maxwell (1831, 1879) Le spectre de la lumière s’étend au-delà du visible Infrarouge Ondes radio 1885 Hertz Ultraviolet Rayons X 1895 Roentgen Nouvelle révolution au 20ème siècle : la théorie quantique Le rayonnement du corps noir Quanta d’énergie hν Max Planck (1858, 1947) L’effet photoélectrique 1905 Albert Einstein (1879, 1955) Le quantum de lumière sera nommé PHOTON en 1926 Le premier grand congrès mondial de physique Congrès Solvay de 1911 Les quanta d’Einstein : scepticisme ! Il faudra pourtant faire coexister les deux conceptions complémentaires Particules ET ondes Un grand défenseur de la théorie ondulatoire de Fresnel Gabriel Lippmann (1845, 1921) Opposant acharné à la théorie des quanta Inventeur de la photographie interférentielle des couleurs Prix Nobel en 1908 La dualité onde-corpuscule Louis de Broglie (thèse 1924) « Le fait que, depuis l’introduction par Einstein des photons dans l’onde lumineuse, l’on savait que la lumière contient des particules qui sont des concentrations d’énergie incorporée dans l’onde, suggère que toute particule, comme l’électron, doit être transportée par une onde dans laquelle elle est incorporée […] Mon idée essentielle était d’étendre à toutes les particules la coexistence des ondes et des corpuscules découverte par Einstein en 1905 dans le cas de la lumière et des photons... » Pour finir : qu’est-ce que la lumière ? 1- La description mathématique complète et non ambigüe des phénomènes lumineux "l'optique ou électrodynamique quantique" 2- Les interprétations physiques: besoin d'images physiques simples comme aide à l’intuition « ondes, particules, interférences entre probabilités, fluctuations du vide… » « Je ne mélange pas les conjectures avec les certitudes » Newton (dans les questions, fin de Opticks) Il reste certainement encore beaucoup à découvrir sur la lumière…
