Histoire de l`optique

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Histoire de l’optique
Notes de cours de L3 - Ecole Normale Supérieure de Cachan
3 février 2008
Table des matières
I
La lumière d’Euclide à Glauber
I
II
Optique classique jusqu’à Einstein . . . . . . . . . . . . . .
I.1
les débuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I.2
Euclide,"invention" de l’optique géométrique (-300)
I.3
L’optique en Chine . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I.4
Le moyen-âge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I.5
Renaissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I.6
Le XVIIème siècle de Descartes à Grimaldi . . . . .
I.7
Huygens et Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I.8
Le post newtonisme . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I.9
Young et Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I.10
maxwell la grande unification . . . . . . . . . . . .
I.11
Lorenz, Champs et particules . . . . . . . . . . . .
l’optique ’quantique’ d’Einstein à Glauber
2
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11
Première partie
La lumière d’Euclide à Glauber
3
Une brève histoire des conception de la lumière
L’histoire des sciences est un aspect important des sciences en particulier,dans
l’histoire des science, on se rend compte que les choses qui paraissent simples et
évidente on mis du temps à être découvert. Un mûrissement lent a été nécessaire
pour mettre au point les modèles sur lesquels nous travaillons actuellement
Par exemple, pour la lumière, il a fallu près de 3000 ans pour bien comprendre
une chose si abstraite. Einstein :"ce qu’on découvre on le construit sur les épaules
des géants"1
L’avancée des techniques permet aussi des avancées importante en autorisant
des manipulations impossible auparavant. Ainsi, le laser est un aboutissement de
travaux réalisés en mécanique quantique.
– Euclide : 300 av JC
– Glauber
qu’est ce que la lumière ? un flot de particules ou une onde ou les deux, voir
autre chose ?
I
Optique classique jusqu’à Einstein
Référence à la bible : Genèse "Que la lumière soit et la lumière fut !"2
I.1
les débuts
On trouve dans la nature et dans notre environnement quotidien de nombreuses
questions physiques : comment marche la plupart des phénomènes que l’on voit ?
pourquoi le soleil couchant est rouge ? pourquoi le feu éclaire ? Il n’est pas évident
que les équation de maxwell soient derrière tout ça
La chose la plus évidente et intuitive se rapporte à l’ombre, qui se trouve
toujours derrière l’objet , en ligne droite. On pourrait en déduire que la lumière
se propage en ligne droite à partir de sources lumineuses. Ceci permet par la
suite des raisonnements géométriques. Toutefois ce raisonnement ouvre déjà de
nouvelles questions : pourquoi et comment les objets arrêtent la lumière ou la
laisse passer ?
1 chercher une référence et la citation exacte, sachant qu’à l’origine l’expression est d’un
évêque du XIIème siècle... et doit être en allemand
2 retrouver le passage
– Parmi les premiers raisonnent géométriques possible, des babyloniens( vers
-1000), et Parménide (-500) -pour le monde grec - s’intéressent à l’astronomie
et notamment les phases de la lune.
– Thalès en -600 fournit une explication des éclipses de lune et de soleil (néanmoins, on n pouvait pas encore à l’époque prédire les éclipses de soleil sans
la mécanique céleste).
– et Aristote en -350 montra que la terre est ronde, du fait de la projection circulaire de l’ombre de la terre sur la lune( mais de distinction
disque/sphérique)
– Aristarque de Samos en -300 , évalua la distance Terre-Soleil grâce à la
position de la lune dikhotome(angle lune soleil 89‌ ’) il a trouvé 87‌ ’ d’où il
put déduire que la distance terre-soleil est 19 fois plus grande que la distance
terre-lune,au lieu de 400 fois plus.
– Eratostène en -200 évalua le rayon de la terre en plantant deux bâtons dans le
sol, un à ,Alexandrie, l’autre 1000 km plus bas et mesura la taille de l’ombre
d’un bâton alors que le soleil était à son zénith pour l’autre bâton.
le rayon visuel
– Pour Pythagore (-600), le rayon visuel, c’est-à-dire la lumière, est quelque
chose qui est émis par l’oeil. Son raisonnement se fait par analogie avec le
toucher : ce sens nécessitant de déplacer sa main et d’effectuer un mouvement
de préhension pour sonder les objets, il estime qu’il est aussi nécessaire pour
l’oeil d’effectuer un tel mouvement. La question évidente de l’orientation des
yeux le conforte dans cette idée.
– cependant , avec une telle explication, l’oeil verrait dans le noir, ce qui n’est
pas le cas
– D’où plus tard, l’idée que la lumière vient des deux cotée, à la fois de l’oeil
et de l’objet
– Ainsi, Démocrite (-400) exposa que la lumière est "une impression dans l’air
due à l’oeil et à l’objet". Pour Platon, lorsque les dieux créèrent les premiers
organes (les yeux) ils firent ceux-ci à partir de "feu" pur et compressé de
manière à ce que le rayon qui en sorte frappe l’objet et revienne vers l’oeil.
– Enfin, Aristote (-450), qui essaya de formaliser toutes les connaissances de
l’antiquité tint le raisonnement suivant : si l’oeil était fait de feu, comment
l’oeil verrait-il dans les ténèbres ? Il vaut mieux convenir que la lumière
provient d’une excitation extérieure.
4
Continuateur d’Euclide, il s’intéresse au phénomène de réfraction dans un
milieu transparent en plongeant un bâton dans l’eau. Il créée alors des tables de
valeurs (le sinus n’étant pas encore utilisé en tant que fonction) d’angle d’inciEuclide créa le mot ’optique’ et a introduit 12+7 postulat dans son traité. Il dence et d’angle de réfraction dans l’eau.
introduisit le terme de rayon lumineux, qui est pour lui émit par l’oeil en ligne
On trouve d’autres continuateurs comme Héron d’Alexandrie(au long bec),
droite car l’ombre est derrière, et pas devant( ce qui montre une régression par
Leucippe,
LucrèceLeucippe s’intéresse à la question de savoir pourquoi nous garrapport à Aristote. Il faudra 1300 ans pour revenir a l’idée opposée, heureusement,
dons
une
trace
de la lumière via les images (en effet, nous ne gardons pas une
les construction géométriques n’en sont pas moins changées. Pour lui, si de tous les
"mémoire"
d’une
source phonique). lucrèce dit que pour toute chose , il existe le
corps émaneraient des rayons lumineux, pourquoi n’en verrait-on qu’une partie ?
simulacre,
membrane
qui garde la forme de l’objet et qui se propage dans tous
on voit donc les objets sur lesquels tombe les rayons, et pas les autres
sens...
et
provoque
les
rêves lorsque les objets dont elle proviennent ne sont plus
Le deuxième essai d’Euclide est la "Catoptrique" à propos des lois de la
touchés
par
la
lumière.
Néanmoins, ces courants-là, plus disposés à voir en la
réflexion sur des miroirs plans, concaves et convexes. Ce qui provoque un paradoxe
lumière
un
phénomène
extérieur,
ne permet pas, ou mal, de prédire les phénoentre la lumière indépendante de la vision : la lumière émise par le soleil focalise
mènes.
C’est
pourquoi,
la
tendance
"interne" est favorisée, car elle permet à des
a l’aide d’un miroir parabolique et met le feu a la paille. ici , les rayons partent
savants
tels
Archimède
de
créer
des
machines de guerre.
bien du soleil
Ptolémée (-140)
I.2
Euclide,"invention" de l’optique géométrique (-300)
I.3
L’optique en Chine
L’optique se développe en Chine dès l’antiquité,avec Mo Zi (-468 -376) et l’école
des "mohistes". Toutefois la science chinoise est beaucoup plus pratique que la
science occidentale : ils ne cherchent pas les explication "pourquoi", mais surtout
"comment", et s’intéressent beaucoup plus au technique où il sont beaucoup plus
avancé et notamment, leurs techniques et industrie du verre sont plus développées. Ils développent ainsi le principe de la "camera obscura, c’est-à-dire une
chambre noire avec un trou : l’image qui "s’imprime" est inversée et les rayons
n’interagissent pas entre eux. "Une personne illuminée brille comme si elle émettait des rayons."
Il s’intéressent aussi à la réflexion sur un miroir plan et la réflexion sur un miroir convexe ou concave. Cependant on ne trouve nulle part de géométrie , ce
qui empêche le développement prédictif. Cette science est beaucoup plus observationnelle que celle des grecs, et beaucoup moins géométrique.
Fig. 1 – Ptolémée
Il existait bien sûr déjà à cette époque une "science de salon ", avec par exemple
le "miroir à lumière pénétrante", on grave sur le côté opposé au côté poli des
caractères, on voit alors sur la lumière réfléchie du côté poli les caractères écrits
sur l’autre face. Ce phénomène ne sera expliqué qu’en 1932 par W. Bragg (le fils).
5
I.4
Le moyen-âge
Le moyen-âge correspond à une relative période d’arrêt en terme de développement des sciences en occident. La science reste cloîtrée dans les monastères et
quelques universités : la science déviait toujours en référer à la Bible ou à Aristote.
C’est essentiellement en Chine et surtout dans le monde arabe (principalement
à partir du 9ème - 10ème siècle) que les sciences se développent. Les arabes ne
se contentent pas de traduite et compiler les travaux antiques, ils développent
eux-mêmes de nouveaux travaux :
l’optique dans le monde musulman
Déjà an 1200 en Toscane ou Vénétie, on utilise systématiquement des verres
pour corriger la vue. Quant au mot lentille, il provient de la forme du verre
comparable au légume du même nom.
Galilée trouvera bien sûr des applications pratiques très utiles à sa lunette :
il la vendra aux astronomes mais aussi aux militaires et au doge de Venise.
Un ouvrage important est "Magia Naturalis" en 1550 par G.B. Della Porta
"illusion d’optique",il fait une avancée importante en ajoutant une lentille a la
"caméra obtura", et pense que l’oeil fonctionne de la même manière Il rédigera
aussi "De refractione"(1593), où bien évidemment, il parle de réfraction...et fait
un grand nombre de tracé de rayon lumineux
– Ibn-Sahl (vers 980) Donne la loi des sinus pour la réflexion, mais reste inconnu
– Ibn-al-Haitham ou Alhazen,né à Bassora et mort en 1039 au Caire a une
approche très expérimental, explique que les rayons ne peuvent partir des
yeux, car l’oeil peut être blessé par la lumière : il constate notamment que
l’oeil aveuglé ne peut voir la lumière pendant un certain temps et pense que
la persistance lumineuse s’explique par le fait que la lumière reste dans l’oeil.
Il a l’idée de la diffusion de la lumière dans toute les direction,et forme une
l’image constituée de points ou les rayon frappent. Suite à des travaux de
dissection, il découvre le cristallin et imagine que l’image se forme dessus.
Il développe aussi le principe de la camera obscura (dans ces régions très
éclairées, une fente à travers un volet peut servir "d’expérimentation").Il
développe aussi une loi de réflexion, comparable à celle d’un ballon sur le
sol : "la lumière est comme une balle à l’extrémité d’une flèche"
– En Chine à la même époque, on développe une théorie sur l’arc-en-ciel et
connaît le foyer d’un miroir concave
– En occident, on peut tout de même citer Roger Bacon qui travailla aussi sur
les arcs-en-ciels.
Fig. 2 – Johannes Kepler,1610,portrait
Un progrès technique décisif : les verres correcteurs
Effets grossissant des "lentilles de verre" connu depuis longtemps
Pour Pline l’ancien (60), les émeraudes, correctement polies permettent une
meilleure vision, ainsi l’empereur Néron pouvait regarder "de près" les combats de
gladiateurs. En effet, à cette époque, on ne savait ni produire de verre transparent,
ni de verre poli (le développement des techniques des maîtres verriers permettra
ainsi à la science de l’optique de faire de grands progrès).
Johannes Kepler(Weil der Stadt (Bade-Wurtemberg) 1571 - 1630 Ratisbonne) travaille a Prague en 1604 sur la loi de réfraction aux petits angles, et la
notion d’image virtuelle pour les miroirs. Pour l’ellipse, il se basera uniquement
sur Vénus et travaillera sinon principalement sur Mars, la Terre et Vénus. "Dans
la lumière, le mouvement se fait le long d’une droite, et ce qui se déplace est une
sorte de surface". Ses connaissances sur l’oeil sont suffisamment développées pour
6
comprendre que l’image se forme sur la rétine et qu’elle est inversée.
I.6
Le XVIIème siècle de Descartes à Grimaldi
En 1625, Snell, un hollandais, découvre les lois des sinus, mais ne publie
pas, car il décédera peu après. On notera que Descartes était aux Pays-Bas à
cette époque... Il publiera ces lois en 1637. Dans son "discours de la méthode", il
Un autre progrès technique, la lunette ou "télescope"
expliquera le principe de la méthode scientifique et essaiera de l’appliquer dans les
En 1590, les premières lunettes naissent en Italie (plusieurs personnes auront 100 pages qui suit à l’optique (néanmoins, dans ce domaine-là, il fera beaucoup
sans doute la même idée presque en même temps...), en 1604, un lunetiers hol- d’erreurs)
landais (Middlebourd) commercialise pour la première fois des lunettes. En 1609
Galilée améliore l’instrument et en envoie une a Kepler, il passera beaucoup de
temps à essayer d’améliorer la qualité de la lunette, notamment en la polissant.
En 1610 Kepler , publie la "dioptrique". Au passage, on notera que pour gagner
sa vie, Kepler faisait et publiait des horoscopes. Enfin, l’optique acquiert le statut
de science. Ainsi, le comment de la lumière commence à être dégagée, mais pas
encore le pourquoi.
I.5
Renaissance
Fig. 4 – portrait de descartes
Fig. 3 – portrait de Galilée
Pour Descartes, l’espace étant plein, la lumière se propage dedans tel "une
balle déviée ou amortie". Mais ceci est paradoxale,car alors la lumière se propagerait plus vite dans les milieux de plus fort indice. Il explique cela par le fait,
qu’une balle transmet plus d’énergie quand elle frappe sur un corps dur que mou.
Fermat en 1667 introduit la notion de chemin suivi par la lumière le plus
rapide
Oläus Römer (25 septembre, 1644 – 19 septembre 1710), En 1675 explique la
7
variation de la période des satellites de Jupiter par la propagation à vitesse finie
de la lumière. La question de la vitesse de la lumière commence à devenir cruciale :
Galilée essaiera de mesurer la vitesse de la lumière (comme il espérait mesurer
un son, en mettant des personnes les unes à la suite des autres, il en déduira...
que la lumière va très vite...). Mais Römer trouvera une bonne approximation de
cette vitesse.
Grimaldi(2 avril 1618 – 28 décembre 1663) publie ( a titre posthume) en 1665,
découvrit la diffraction sur le bord des ombres. Sa première intuition sera celle
d’Huygens-Fresnel, mais... il finira en contredisant cette théorie. Il intuitionnera
l’interférences mais n’eut pas les compétences mathématiques pour développer
cela.
I.7
Huygens et Newton
Newton (4 janvier 1668 -31 mars 1727)
Il publiera son traité "Opticks" en 1704, s’amusera aussi à faire des trous
dans les volets... Décomposera la lumière dans un prisme, permettant ainsi de
"sélectionner" la valeur cachée, c’est à dire la longueur d’onde...Il s’amusera aussi
à publier ses travaux très tard, ce qui fera qu’il se bagarrera souvent pour la
paternité d’idée, comme le calcul infinitésimal avec Euler
Fig. 6 – Isaac Newton-1689
Fig. 5 – Francescomaria Grimaldi
Ses expériences sont toujours très détaillées, et il décrira les "anneaux de Newton" (vibration/onde stationnaire), lié à une périodicité de 0,285µm (ce qui correspond à λ/2)
Il existe "une disposition transitoire qui dans les progrès du rayon revient à
8
intervalles égaux et fait que le rayon, à chaque retour de cette disposition, est I.9 Young et Fresnel
transmis aisément à travers la surface réfringente" Par la suite, il travaille sur
a diffraction et pense qu’elle est due à une attraction par les objets. (n’oublions Young (1773 - 1829)
pas qu’il a travaillé sur l’attraction gravitationnelle...). Et à la fin de son livre,
Thomas Young commencera par des études et recherches en médecine, puis
il propose une série de question, dont notamment la question 29 : " Are not the des recherches en acoustique (thèse, il connaît ainsi les battements d’ondes sorays of light very small bodies emitted from shining substances ?".
nores)et enfin en optique ("On the theory of light and colours" 1802). Il sera ainsi
partisan de l’idée est une onde, voire une ondulation (notion développant l’idée
d’alternance de parties positives et négatives et utilisant la longueur d’onde). Il
Comment expliquer la réflexion partielle ?
réalise (toujours des trous dans des volets avec des filtres) son expérience des
"trous d’Young". Il fait alors la fantastique découverte que : "de la lumière plus
Pour Newton, certains "corpuscules" sont réfléchis, d’autres sont transmis en de la lumière peut faire de l’obscurité".
fonction de leur "disposition"
Par la suite, il abandonna l’optique pour déchiffrer la pierre de Rosette (il
connaissait 13 langues à 13 ans, véritable touche-à-tout, il avait de grandes facilités, notamment grâce à sa mémoire), toutefois il ne mènera jamais à fond ses
Huygens
recherches).
En 1678, il théorise que la lumière ne peut pas être formée de corpuscules, car
deux rayons de lumière se croisant devraient se perturber, or il n’en voit rien.
Donc, pour lui, la lumière serait :" une sorte d’ébranlement qui se propage en
cercles à partir de la source, et qui est capable de se renforcer par addition". Ainsi
il peut développer le début du principe de Huygens-Fresnel et ainsi qu’expliquer
les lois de la réflexion et de la réfraction. Il y aurait de même possibilité d’une
réflexion et d’une
I.8
Le post newtonisme
De nouvelles observations sont menées, comme la phosphorescence ou la polarisation par réflexion (loi de Malus). Des outils mathématiques essentiels à la
suite du développement de ces théories s’élaborent.
l’hypothèse corpusculaire est généralement admise, ce qui a des conséquences
importantes pour l’hypothèse corpusculaire "pré relativiste" : ILS PENSAIENT
AINSI QUE LA LUMIERE AVAIT UNE MASSE.
La déviation des rayons lumineux par une étoile est déjà étudiée par Soldner
(1804) qui trouve la moitié de la valeur d’Einstein (ils avaient évalué la masse
du soleil). Et l’existence de "trous noirs", c’est-à-dire l’existence d’objets d’où la
lumière ne peut s’échapper est évoquée... mais cela impliquerait que les plus gros
objets de l’univers seraient invisibles (évocation de la "matière noire" ?)
Fresnel
Augustin Fresnel (1788 - 1829), polytechnicien, il est mis à pied en 1815
durant les 100 jours par l’administration impériale (refusa initialement de prêter
allégeance). Ceci fut fort bénéfique pour la science, car il eut ainsi tout le temps
libre nécessaire pour mener ses travaux. Il travailla sur des expériences précises
de diffraction et élabora une théorie mathématique de la diffraction et des interférences. Une de ses expériences sera de mettre un goutte de miel sur un petit trou
et d’étudier la diffraction résultante. Enfin, ses professeurs à Polytechnique étant
notamment de grand mathématiciens, il eut le bagage nécessaire pour mener ses
théories à bien. Il introduit la vitesse des molécule éthérées
u = asin(2π(t −
x
))
λ
Il travailla sur les phénomènes de polarisation et en déduit la polarisation
transverse de la lumières quelques années après young.
Poisson mit en doute la théorie de Fresnel avec notamment l’expérience du
"point de Poisson".
Fizeau travailla à l’étude de la vitesse de la lumière, en 1849, avec la méthode
de la roue dentée, il projeta un rayon entre le mont Valérien et Montmartre
(distance de 8,6 km)
9
En1850 Foucault utilisa la méthode du miroir tournant a 800t.s−1 (possible en
labo) pour mesurer la vitesse de la lumière et trouve v = c/n et le 27 avril 1850,
il fait des expériences avec des rayons de lumière dans des tubes d’eau.
I.10
maxwell la grande unification
Faraday
Michaël Faraday était un autodidacte, travaillant auparavant pour un relieur
où il lut de nombreux ouvrages, se formant ainsi. Il fit de nombreuses expériences et observations sur l’électricité et le magnétisme, néanmoins il manquait
de connaissances mathématiques pour mener à terme ses travaux. Ce sera Maxwell qui théorisera ses intuitions.
En 1840 , introduction du concept de champ électrique magnétique ( "ligne de
forces" existant en tout champ de l’espace).
Weber(1845)
mesure c = √10 µ0 et note que sa valeur est proche de celle de la vitesse de la
lumière puis tourne la page.
Fig. 7 – James clerk maxwell
Kirchoff
Il étudia la propagation de l’électricité dans un fil et trouve des ondes se proWeber et 298 000 pour Foucault). Il en déduit que la lumière est très certainement
pageant à 3,1108
une onde elecromagnétique
Les conceptions de Maxwell, complexes pénètrent lentement en 20 ans :
James Clerc Maxwell
Pointing en 1885 : Lois du transfert de l’énergie électromagnétique.
Ecossais, élève de Faraday, il rédigea en 1862 "On physical lines of forces".
Heaviside rend les équation vectorielle, ramenât leur nombre à 4
il obtient les équation des différents champs en s’appuyant sur des analogies
Hertz
mécanique (principes de petites billes qui tournent, qui mèneront au vecteur
rotationnel, vecteur divergence...) : il pense que les champs sont des fluides autour
I.11 Lorenz, Champs et particules
d’objets tournant reliés par des petites billes.
en 1865 " a dynamical theory of the electromagnetic field" plus de "tourbillon", Lorenz(1853-1928)
il trouve un système fermé de 20 équations
Il formule les "équations de Maxwell-Lorentz" ainsi que la "force de Lorenz"
Il cherche donc des solutions d’ondes dans le vide et trouve les ondes planes, et
à partir de µ0 que lui fournissent d’autres scientifiques, il déterminera des ondes sous leur forme moderne.
transversales dont la vitesse est la constant C de Weber (310 070 km /h pour
théorie cohérente de l’interaction entre matière et lumière :"onde électroma-
10
gnétique interagissent avec des charges ponctuelles liées par une force ponctuelle(harmonique)". Il explique les lois de l’absorption, l’indice des diélectriques,
les coefficients de réflexion et de transmission. Il prédit ainsi l’éclatement des raies
spectrales dans un champ magnétique (effet Zeeman, prix Nobel)
Certaines personnes prétendent que la physique était désormais fermée, MAIS
il restait quelques problèmes ouverts (entre autre) :
– effet photoélectrique
– Rayonnement Thermique
– Position des raies spectrales.
Fig. 8 – Albert Einstein
Deuxième partie
l’optique ’quantique’ d’Einstein à Glauber
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