semaine 1 : INTRODUCTION

Historique
L'intérêt de l'homme pour la lumière remonte à la plus haute antiquité, et se confond pendant longtemps avec l'étude du mécanisme de la vision. Pythagore, puis Euclide enseignent que l'oeil envoie des " rayons " vers les objets qu'il veut observer. D'autres savants pensent, au contraire, que les objets envoient vers l'oeil des " pelures " ou " écorces " qui apportent les renseignements concernant la forme et la couleur. Au XIe siècle, le physicien arabe Ibn al-Haytham émet l'idée que la lumière est un agent créé par les sources lumineuses, et qui pénètre dans l'oeil après s'être réfléchi sur les objets ; toutefois, cette théorie ne semble pas avoir eu beaucoup d'écho en Europe, bien que les oeuvres de ce savant, dont le nom avait été latinisé en Alhasen, y aient été traduites dès la fin du XIIe siècle.

À la fin du Moyen Âge, le principe de la propagation rectiligne ainsi que les lois de la réflexion et de la perspective sont connus ; la réfraction a été observée, mais aucune loi n'est encore dégagée. Les applications sont pratiquement limitées aux miroirs, en métal poli ou en verre, et aux verres correcteurs de la vue, découverts fortuitement, par des artisans verriers italiens, à la fin du XIIIe siècle.

L'optique, au sens où nous l'entendons actuellement, naît au XVIIe siècle, lors de la révolution scientifique lancée par Kepler, puis par Galilée, par Descartes et par Isaac Newton, pour ne citer que les principaux savants. Reprenant l'idée maîtresse d'Ibn al-Haytham, Johannes Kepler, puis Snell Van Royen et René Descartes établissent les lois de la réfraction, comprennent la formation de l'image sur la rétine, et expliquent enfin le fonctionnement des lentilles minces, que des milliers de personnes utilisaient, depuis plus de trois siècles, pour corriger leur vue.

À la même époque naissent la lunette astronomique, due à un artisan lunetier hollandais et perfectionnée par Galilée, puis le microscope composé ; la lunette astronomique permet à Galilée de découvrir les satellites de Jupiter, et à l'astronome danois Olaus Römer d'établir, à partir de l'observation qu'il fait de ces satellites, une première estimation de la vitesse de la lumière (1675). Newton, par une série d'expériences demeurées célèbres, fournit la première explication cohérente de l'origine des couleurs du prisme (dispersion de la lumière blanche), et il complète l'explication de l'arc-en-ciel fournie par Descartes. Néanmoins, sa théorie de la couleur des corps ne lui permet pas d'expliquer les couleurs qu'il observe sur les bulles de savon.

Ce fourmillement d'expériences et de découvertes s'organise rapidement autour d'une question fondamentale : qu'est-ce que la lumière ?

Reprenant une idée de Descartes et s'appuyant sur l'observation, effectuée par Francesco Grimaldi, de la diffraction de la lumière, Christiaan Huygens formule l'hypothèse que la lumière est un mouvement ondulatoire qui se propage, de proche en proche, dans un milieu baptisé " éther ", à la façon de la houle à la surface de l'océan.

Se basant sur la propagation rectiligne, sur les lois de la réflexion et de la réfraction, Isaac Newton propose la théorie de l'émission : la lumière est un flux de particules émises par les sources lumineuses et se propageant en ligne droite.

La théorie de l'émission, soutenue par l'autorité de Newton et de ses partisans, s'impose pendant tout le XVIIIe siècle. Il faut attendre le début du XIXe siècle pour qu'Augustin Fresnel, s'appuyant sur la découverte, par Thomas Young, des interférences lumineuses, reprenne la théorie ondulatoire, et l'établisse sur des bases solides. Un demi-siècle plus tard, la brillante synthèse, faite par James Clerk Maxwell, de la description des phénomènes électriques et magnétiques macroscopiques semble porter le coup de grâce à la théorie de l'émission en établissant définitivement la nature physique de la lumière : il s'agit d'une onde électromagnétique, association d'un champ électrique et d'un champ magnétique variant périodiquement.

La théorie moderne

La découverte, par Heinrich Hertz, de l'effet photoélectrique et son interprétation, par Albert Einstein, sur la base de la théorie des quanta, imaginée par Max Planck, relancent le débat, d'autant plus que la théorie de Maxwell se révèle incapable d'expliquer le processus d'émission et d'absorption de la lumière. Les travaux de Niels Bohr, puis ceux de Werner Karl Heisenberg, de Louis-Victor de Broglie, de Paul Dirac et d'autres physiciens encore, conduisent à la théorie actuellement admise : la lumière est à la fois une onde et un flux de particules ; on peut tenter de se l'imaginer comme un flot de particules, les photons, dont le mouvement est décrit par une fonction ondulatoire, qui mesure en tout point et à tout instant la probabilité de les y trouver. En fait, le praticien de l'optique se contente de modèles de comportement, qu'il utilise selon ses besoins, et d'où est exclue toute préoccupation sur la nature de la lumière ; ces modèles, au nombre de trois, sont respectivement : le photon, l'onde lumineuse, le rayon lumineux.

Le photon

C'est un grain d'énergie ; la quantité d'énergie E qu'il transporte est liée à la fréquence n de l'onde associée par la relation E = hn, où h est la constante de Planck. Les énergies des photons associés à la lumière visible sont de l'ordre de 1 milliardième de milliardième de joule, quantité très faible par rapport à l'énergie lumineuse perçue normalement, qui correspond à un très grand nombre de photons : la lumière nous apparaît donc comme continue. On sait néanmoins construire des détecteurs qui reçoivent et comptent les photons un par un. Le modèle du photon est surtout utilisé pour l'étude des échanges d'énergie entre la lumière et la matière ; c'est le domaine de la spectroscopie, qui est l'un des moyens les plus puissants dont nous disposons pour étudier la structure de la matière.

L'onde lumineuse

Elle est transversale, sa grandeur caractéristique, le vecteur lumineux, ou vecteur de Fresnel, étant perpendiculaire à la direction de propagation. Celle-ci obéit au principe de Huygens-Fresnel : chaque point atteint par la lumière devient, à son tour, la source d'une onde élémentaire de même structure que l'onde qu'il reçoit ; la superposition de ces ondes élémentaires donne une nouvelle onde, et ainsi de suite. Ce modèle permet d'expliquer et d'utiliser commodément les interférences, la diffraction, la polarisation, ainsi que la réflexion et la réfraction à la surface de deux milieux transparents.

Le rayon lumineux

Ce n'est en fait qu'une approximation de l'onde lumineuse, utilisable dès que les dimensions qui interviennent sont grandes par rapport à la longueur d'onde de la lumière. La lumière est représentée par le rayon lumineux, qui se propage d'un point à un autre le long d'une courbe, en obéissant au principe formulé par Pierre de Fermat selon lequel la lumière utilise, parmi tous les chemins possibles entre deux points, celui pour lequel le temps de parcours est minimal ou maximal. Dans un milieu homogène, ce principe est équivalent à celui de la propagation rectiligne ; de plus, il permet de retrouver les lois de la réflexion et celles de la réfraction. Ce modèle, particulièrement simple, est le fondement de l'optique géométrique, et son application principale est le calcul des instruments d'optique, du miroir de phare au microscope.