Histoire de l`optique

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 àGlauber 2
I Optique classique jusqu’à Einstein ................................................................ 3
I.1 lesdébuts.......................................................................... 3
I.2 Euclide,"invention"del’optiquegéométrique(-300) ................................................. 4
I.3 L’optiqueenChine..................................................................... 4
I.4 Lemoyen-âge........................................................................ 5
I.5 Renaissance......................................................................... 6
I.6 LeXVIIèmesiècledeDescartesàGrimaldi ....................................................... 6
I.7 HuygensetNewton .................................................................... 7
I.8 Lepostnewtonisme .................................................................... 8
I.9 Young et Fresnel .................................................................... 8
I.10 maxwell lagrandeunification.............................................................. 9
I.11 Lorenz,Champsetparticules .............................................................. 9
II l’optique ’quantique’ d’Einstein àGlauber 11
1

Première partie
La lumière d’Euclide àGlauber
2

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 ?
1chercher 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
2retrouver 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 (néan-
moins, 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 pro-
jection 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.

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I.2 Euclide,"invention" de l’optique géométrique (-300)
Euclide créa le mot ’optique’ et a introduit 12+7 postulat dans son traité. Il
introduisit le terme de rayon lumineux, qui est pour lui émit par l’oeil en ligne
droite car l’ombre est derrière, et pas devant( ce qui montre une régression par
rapport à Aristote. Il faudra 1300 ans pour revenir a l’idée opposée, heureusement,
les construction géométriques n’en sont pas moins changées. Pour lui, si de tous les
corps émaneraient des rayons lumineux, pourquoi n’en verrait-on qu’une partie ?
on voit donc les objets sur lesquels tombe les rayons, et pas les autres
Le deuxième essai d’Euclide est la "Catoptrique" à propos des lois de la
réflexion sur des miroirs plans, concaves et convexes. Ce qui provoque un paradoxe
entre la lumière indépendante de la vision : la lumière émise par le soleil focalise
a l’aide d’un miroir parabolique et met le feu a la paille. ici , les rayons partent
bien du soleil
Ptolémée (-140)
Fig. 1 – Ptolémée
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’inci-
dence et d’angle de réfraction dans l’eau.
On trouve d’autres continuateurs comme Héron d’Alexandrie(au long bec),
Leucippe, LucrèceLeucippe s’intéresse à la question de savoir pourquoi nous gar-
dons une trace de la lumière via les images (en effet, nous ne gardons pas une
"mémoire" d’une source phonique). lucrèce dit que pour toute chose , il existe le
simulacre, membrane qui garde la forme de l’objet et qui se propage dans tous
sens... et provoque les rêves lorsque les objets dont elle proviennent ne sont plus
touchés par la lumière. Néanmoins, ces courants-là, plus disposés à voir en la
lumière un phénomène extérieur, ne permet pas, ou mal, de prédire les phéno-
mènes. C’est pourquoi, la tendance "interne" est favorisée, car elle permet à des
savants tels Archimède de créer des machines de guerre.
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 dévelop-
pées. 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 émet-
tait des rayons."
Il s’intéressent aussi à la réflexion sur un miroir plan et la réflexion sur un mi-
roir convexe ou concave. Cependant on ne trouve nulle part de géométrie , ce
qui empêche le développement prédictif. Cette science est beaucoup plus obser-
vationnelle que celle des grecs, et beaucoup moins géométrique.
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).