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…