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Augustin Fresnel :
la théorie ondulatoire de la lumière
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
Michèle LEDUC
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
Etude des phases de la Lune, des éclipses…
Progrès sur la lumière à travers l’astronomie
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
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… »
Premiers pas (suite) : la vision
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 rayons partent de l’objet
1600 : invention de la lunette d’approche
par assemblage de deux lentilles
1609 : Galilée améliore l’instrument (lentilles, support)
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
Isaac Newton (1668, 1727)
« Opticks »1704
A Prague, à Londres, aux Pays-Bas, en Italie…
Johannes Kepler (1571, 1630)
« Dioptrique » 1610
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 vision par l’oeil
Une vue d’artiste…
La théorie de Newton donne une explication
des couleurs du prisme
Christian Huygens
(1629, 1695)
« 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 »
A la même époque, aux Pays-Bas,
naissance de la théorie ondulatoire de la lumière
La lumière
va moins vite
dans la matière
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)
Thomas Young (1773-1829)
Battements entre ondes sonores
de hauteurs différentes
pression
temps
Deux ondes peuvent se renforcer, mais aussi se détruire
Renaissance au 19ème siècle
des idées de Huygens sur les ondes
Onde sonore
Deux ondes lumineuses peuvent interférer
Par analogie avec le son :
la lumière est une ondulation
avec alternance de parties positives et négatives
Thomas Young
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
La lumière est
une onde
Augustin Fresnel (1788, 1827)
Ingénieur polytechnicien, passionné par l’optique
Fresnel nommé à la commission des phares et des balises
Sous-marin
Fresnel,
1929-1942
Amélioration des lampes et du codage du
signal
Avec les lentilles à échelon de Fresnel
Système généralisé à tous les phares
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…
Objection de Poisson
Ecran circulaire
La théorie ondulatoire se heurte à l’« ordre établi »
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 !
(1781, 1840)
François Arago (1786-1853) Le président
Denis Poisson (1781-1840)
Un examinateur
Concours pour le Grand Prix de l’Académie des Sciences (1819)
Augustin Fresnel (1788-1827) Le candidat
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
‘
“…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)
Fresnel ouvre la voie à la théorie classique de la lumière
La lumière est une onde électromagnétique
Le spectre de la lumière s’étend au-delà du visible
Rayons X 1895
Roentgen
Ondes radio 1885 Hertz
Infrarouge Ultraviolet
Nouvelle révolution au 20ème siècle : la théorie quantique
Le quantum de lumière sera nommé PHOTON en 1926
Le rayonnement du corps noir
Quanta d’énergie hν
Max Planck (1858, 1947)
L’effet photoélectrique
1905
Albert Einstein (1879, 1955)
Les
quanta
d’Einstein :
scepticisme !
Le premier grand congrès mondial de physique Congrès Solvay de 1911
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
« 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... »
Louis de Broglie (thèse 1924)
besoin d'images physiques simples comme aide à l’intuition
« ondes, particules, interférences entre probabilités, fluctuations du vide… »
2- Les interprétations physiques:
Pour finir : qu’est-ce que la lumière ?
1- La description mathématique complète et non ambigüe des phénomènes lumineux
"l'optique ou électrodynamique quantique"
« 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…