J.A.C.S. N°3
Article 1 : ET FIAT LUX !
La lumière : onde ou corpuscule ?

Les chiffres entre parenthèses renvoient à la bibliographie succincte précisée à la fin.

Quelques données préalables :
* le terme onde évoque la vague ou la houle marine. Si la lumière est une onde, il faut trouver la nature de la grandeur qui se propage, analogue au niveau de la mer.
* corpuscules, particules : petites boules (de feu ?) dont serait constituée la lumière. La physique moderne les nomme photons (évidemment bien différents des projectiles des Grecs). A cette idée de corpuscule sont associées les notions de quantification ou de discontinuité du rayonnement.
* réfraction : ce qui advient de la lumière lors du passage de celle-ci de l’air dans l’eau ou dans le verre. Le rayon lumineux n’est plus rectiligne mais est « cassé » lors de ce passage.
* interférences : propriété qu’ont les faisceaux lumineux, dans certaines conditions (à vrai dire, assez strictes), de s’additionner algébriquement, c’est-à-dire éventuellement de se retrancher, ce qu’on a pu traduire par « lumière + lumière = obscurité ». En réalité, pour simplifier, on peut dire qu’il faut deux faisceaux microscopiquement identiques (le terme savant est : cohérents) pour que cela soit observé. Les lumières émises par deux ampoules ne se détruisent pas l’une l’autre.
* diffraction : quand on plisse les yeux, la nuit, en regardant par exemple un réverbère un peu éloigné, la lumière semble « éclater » entre les paupières. Le même phénomène apparaît sur les photos prises de nuit. La diffraction est également responsable des figures inattendues obtenues la nuit quand la lumière émise par des phares de voiture atteint des rideaux de tulle ainsi que des couleurs observées quand on manipule un disque laser.

I / De quoi est faite la lumière ?

L’homme se l’est longtemps demandé et a, sans se décourager, échafaudé des théories successives, si bien que, du point de vue de l’histoire des sciences, ce sujet est passionnant et presqu’exemplaire. En gros, deux conceptions se sont longtemps opposé : la théorie corpusculaire et la théorie ondulatoire. Trancher fut longtemps difficile parce que certains faits faisaient pencher d’un côté tandis que d’autres étaient beaucoup plus faciles à interpréter de l’autre. Deux courtes citations de Richard FEYNMAN résument bien la situation (1):

"Aujourd'hui, nous savons que la lumière est faite de particules parce que nous possédons des instruments extrêmement sensibles qui font "clic" chaque fois qu'ils reçoivent de la lumière, et ce même si l'intensité de la lumière est abaissée considérablement: les "clics" sont les mêmes, seul leur nombre diminue."

"[...] une période où l'intelligence des physiciens fut mise à rude épreuve : la lumière, disait-on, doit être considérée soit comme une onde, soit comme un ensemble de particules... selon les situations expérimentales. C'est ce qu'on a appelé la "dualité onde-corpuscule". [...] à cette époque la lumière était une onde les lundis, mercredis et vendredis, et un ensemble de particules les mardis, jeudis et samedis. Restait le dimanche pour réfléchir à la question. Mon intention ici est précisément de vous montrer comment ce mystère a finalement été élucidé."

Comme précisément Richard FEYNMAN fait partie du trio considéré comme responsable de la résolution de cette énigme, son ouvrage est très recommandé.
Evidemment, la lumière étudiée est, au début, uniquement celle envoyée par le Soleil ou celle émise lors de combustions. L’existence du rayon lumineux qui évoque la trajectoire d’un projectile et la réflexion sur un miroir, essentiellement, au départ, un morceau de métal poli, qui évoque bien entendu le rebond d’une balle sur un mur, font que la théorie corpusculaire est née assez tôt.
Pourtant, curieusement, quand on regarde 25 siècles en arrière, cette conception, que l’on peut qualifier de newtonienne, du nom de son plus illustre défenseur, n’a pas été en vogue le plus longtemps et la croyance en la nature ondulatoire de la lumière l'a souvent emporté. C'est un peu surprenant parce que, expérimentalement, le fait n'est pas très évident (car les phénomènes de diffraction et d’interférences, qui peuvent être considérés comme des preuves, sont d’interprétation délicate). Mais, pendant longtemps, ce sont les mêmes physiciens qui étudient la lumière et le son. Par ailleurs, la foudre qui associe l'éclair et le tonnerre frappe (aussi) les esprits. Dans une certaine mesure, l'optique va bénéficier des progrès de l'acoustique parce que le caractère ondulatoire du son est plus accessible; mais la propagation de celui-ci nécessite la présence de matière, ce qui va mettre les physiciens sur la fausse piste de l'éther, milieu matériel mystérieux que l’on a cru longtemps nécessaire à la propagation de la lumière mais qui n’existe pas.

II/ L’Antiquité : les particules de lumière vont-elles de l’oeil à l’objet ou de l’objet à l’oeil ?

On sait faire du bruit et de la musique ; on maîtrise moins bien la production de lumière. Dans ces conditions, "alors que le son fut d'abord considéré du point de vue de sa production, on envisagea la description physique de la lumière sous l'angle de sa propagation" (5).
Très tôt, la lumière est donc assimilée à un mouvement de projectiles, qu'ils soient émis par les corps lumineux pour DEMOCRITE (-460, -370), ou qu'ils soient émis par l'oeil pour EUCLIDE (3ème siècle av. J.C.). Chez PLATON (-428, -348), on trouve même une curieuse situation intermédiaire, rencontre de 2 particules, l'une émise par l'oeil, l'autre par l'objet observé.
Le milieu dans lequel se propage la lumière occupe beaucoup les esprits au point que la propagation elle-même passe parfois au second plan. Pour LUCRECE (-98, -55), par exemple, il est question d'éléments qui s'entrechoquent ou se poussent les uns les autres. Il est assez difficile de savoir ce qu'est exactement le vide ou l'air pour ARISTOTE (-384, -322) ; pour lui, comme pour beaucoup d'autres savants, l'impossibilité qu'a la lumière de se propager dans le vide est généralement admise.
Il semble qu'ensuite l'expérience fasse surtout des progrès avec SENEQUE, GALIEN (129, 199) qui étudie l'oeil et PTOLEMEE (90, 168) qui établit pratiquement les lois de la réfraction.

III/ Entre PTOLEMEE et GALILEE : la physique reste surtout spéculative.

On se préoccupe d’ailleurs assez peu de mettre à l’épreuve de l’expérience les théories échafaudées avec plus ou moins de bonheur.
Les progrès techniques précèdent la connaissance scientifique ; ils viennent essentiellement d'Egypte où le grand savant arabe IBN AL-HAYTHAM dit ALHAZEN (965, 1039) surnommé le second Ptolémée, étudie beaucoup l'oeil et la réfraction et établit une véritable théorie corpusculaire de la lumière. Pour lui, la lumière est bien émise par le corps lumineux, indépendamment de l'observateur (5). L'optique instrumentale fait aussi de gros progrès en Egypte puisqu'on fabrique dès le XIème siècle les premiers lorgnons pour presbytes, rendant aux vieillards la jeunesse de leur vue (4).
Il semble que l'idée de la nature ondulatoire de la lumière soit clairement affirmée pour la première fois par les franciscains anglais Robert GROSSETESTE (1170, 1253), mélomane connu pour être un adepte de la méthode expérimentale en sciences, et Roger BACON (1214, 1294) qui étudie beaucoup la réflexion, notamment sur les miroirs sphériques. Ce dernier dont les écrits sont considérés comme subversifs, meurt en prison.
Bien que PTOLEMEE soit allé plus loin dans l'étude de la réfraction, KEPLER (1571, 1630) est connu pour les lois qu'il établit. Il a le mérite de poser clairement le principe de la propagation (qu'il suppose avec une vitesse infinie) de la lumière de la source vers l'objet. Il accorde une grande importance au rayon lumineux si bien qu'on peut le supposer plutôt convaincu de la nature corpusculaire de la lumière. Mais lorsqu'il étudie la formation d'une image à l'aide d'une lentille, il envisage plutôt le problème de façon ondulatoire et on est alors proche de l'onde sphérique (5).

IV/ De GALILEE inclus à NEWTON exclus.

La physique, au sens moderne du terme, naît avec GALILEE (7). Effectivement, les premières expériences donnant des résultats quantitatifs datent du début du XVIIème siècle et jusqu'à HUYGENS, les théories portant sur la nature de la lumière sont plutôt spéculatives.
GALILEE (1564, 1642) décrit des méthodes de mesure de la vitesse de la lumière. Sa tentative de mesure échoue mais le fait qu'elle ait eu lieu donne à penser que son auteur ne croyait pas trop en l'existence d'une vitesse infinie. La nature même de la lumière ne semble pas trop préoccuper GALILEE.
DESCARTES (1596, 1650) fait connaître les lois de la réfraction établies par SNELL (1591, 1626). Mais ses théories de la lumière sont confuses et pleines de contradictions. Il semble que la notoriété de l'écrivain philosophe leur ait donné une importance excessive. Pour lui, en effet, la lumière résulte de frottements entre tourbillons qui font naître de la lumière qui se propage avec une vitesse infinie. Mais la réflexion est envisagée comme le rebond d'un projectile et la réfraction comme la traversée par ces projectiles d'une toile tendue qui les accélère si le deuxième milieu est plus réfringent. Le XVIIème siècle aura beaucoup de mal à se débarrasser des tourbillons de DESCARTES; ce sera l'objet d'un des premiers écrits de NEWTON.
FERMAT (1601, 1665) retrouve les lois de la réfraction à l'aide du principe de moindre temps. Mais FERMAT est magistrat à Toulouse ; sa position ainsi que la difficulté qu'ont éprouvé ses contemporains à lier son principe aux autres théories font que FERMAT aura moins d’influence qu'en mathématiques.
GRIMALDI (1618, 1663), qui étudie la diffraction, et MALEBRANCHE (1638, 1715) , disciples respectifs de GALILEE et DESCARTES croient en la nature ondulatoire de la lumière. C'est surtout net chez le premier qui essaie d'interpréter les franges de diffraction ainsi que la décomposition de la lumière blanche (5).

V/ HUYGENS et NEWTON.

Christian HUYGENS (1629, 1695) qui connaît personnellement DESCARTES a le mérite de s'affranchir rapidement des théories cartésiennes. Il pense que l'univers est rempli de particules dont les mouvements oscillatoires se transmettent de proche en proche. L'ensemble des particules qui vibrent en même temps constitue une ondelette ; l'enveloppe des ondelettes forme l'onde lumineuse. Cette onde est longitudinale. Une telle théorie est visiblement inspirée par les rides qui se forment à la surface de l'eau. Elle permet à son auteur d'expliquer les phénomènes de réflexion, de réfraction et même de double réfraction de la lumière (division d’un faisceau incident en deux faisceaux distincts) par la calcite découverte par BARTHOLLIN (1625, 1698).
HUYGENS n'a pas une idée très claire des phénomènes d’interférences et plus généralement des relations de phase. Cela rend sa théorie parfois obscure. Mais l'intuition du savant hollandais est rarement prise en défaut. Il a une bonne idée du principe dit d'HUYGENS-FRESNEL qui ne sera démontré que beaucoup plus tard par KIRCHHOFF et qui permet une étude quantitative du phénomène de diffraction. Curieusement, HUYGENS envisage également l'existence de particules et les rapports qu'il cherche entre celles-ci et les ondes ont des résonances étrangement brogliennes (voir plus loin).
La théorie de HUYGENS est impressionnante par la variété des phénomènes interprétés. Elle sera pourtant balayée par NEWTON (1642, 1727). Mais celui-ci ne parviendra jamais à établir une théorie de la lumière qui soit satisfaisante pour lui comme pour ses contemporains, même si la notoriété de l'auteur de la théorie de la gravitation et le caractère du personnage vont faire que les objections seront rapidement écartées. Les travaux de NEWTON en optique sont importants et la date de publication de ses deux traités (1672 pour la Théorie des couleurs, 1709 pour l'Optique) montre que leur auteur a toujours été préoccupé par le sujet.
Sur le plan expérimental, NEWTON réalise le premier télescope et étudie la décomposition de la lumière par un prisme. Il étudie aussi la lumière émises par les fours et ce qu'on appelle maintenant le corps noir est un des sujets qui le préoccupent.
En gros, il pense que la lumière est constituée de corpuscules qui se propagent plus vite dans un milieu transparent que dans le vide. L'hypothèse de la nature ondulatoire lui paraît fantaisiste. Pourtant les expériences qu'il réalise (anneaux d'interférences) ou la façon dont il les envisage (réflexions multiples sur des vitres) plaident plutôt en faveur de la seconde (1). En outre, NEWTON est l'auteur d'une théorie ondulatoire du son. Il semble en mesure de faire le choix ondulatoire (ses écrits indiquent clairement tous les doutes qu'il a eus et toutes les questions qu'il s'est posées). Mais il préfère compliquer sa théorie corpusculaire - par exemple, il envisage des actions instantanées à distance entre surfaces réfléchissantes (1) - et essaie en vain d'interpréter des phénomènes de nature ondulatoire avec des corpuscules lumineux.
Les contemporains de NEWTON seront dans l'ensemble faciles à convaincre. Toutefois, avec une relative clairvoyance (car il faut tenir compte des rapports entre les individus), HOOKE ne sera jamais un adepte de la théorie newtonienne. Il en sera de même de Leonard EULER.
Rappelons enfin que la première estimation de la vitesse de la lumière (ou l’établissement de la preuve que cette vitesse n’est pas infinie) est réalisée en 1675 par Olaf ROMER (1644, 1710) qui utilise l'observation des satellites de Jupiter découverts par GALILEE. Une deuxième mesure est faite en 1728 par James BRADLEY (1693, 1762).

VI/ Le succès de la théorie ondulatoire.

La théorie de NEWTON va résister un siècle. Puis la théorie ondulatoire va revenir.
D'une part, les mathématiciens (EULER, CLAIRVAUX, D'ALEMBERT, BERNOUILLI, HAMILTON, LAGRANGE et FOURIER) vont fournir aux physiciens les outils qui manquaient à HUYGENS pour que celui-ci soit totalement convaincant. D’autre part, les expériences de diffraction et d’interférences vont livrer leurs premiers secrets.
Le médecin anglais Thomas YOUNG (1773, 1829) est un esprit universel puisqu'il est capable d'écrire dans l'encyclopédie Britannica des articles sur la vision, l'arc-en-ciel, le mouvement des fluides et les marées, la capillarité, la pesanteur, l'architecture navale, la médecine, la rosée, les hiéroglyphes (il découvre que certains mots de la pierre de Rosette sont écrits de manière phonétique et prépare les travaux de CHAMPOLLION). En optique, YOUNG réalise une série d'expériences dont celle, célèbre, qui porte son nom. Le fait que les deux rayons lumineux réfractés par un cristal de calcite ne donnent pas d'interférences lui fait supposer que la lumière est une vibration transversale. FRESNEL aura plus tard et indépendamment la même idée. YOUNG se disperse quand même quelque peu.
FRESNEL (1788, 1827) -on peut rappeler qu’il vécut à Mathieu dans le Calvados- est, lui, l'auteur d'une théorie complète de la lumière. Très jeune, il se plaît à dire, avec irrespect pour le grand homme, que "Newton radote" (5) et il est un des premiers physiciens qui se spécialisent réellement en ne s'intéressant qu'à un seul domaine. La théorie du vecteur lumineux est impressionnante. FRESNEL a des idées somme toute assez justes sur la cohérence mais il bute sur l'éther.
On peut considérer FOUCAULT (1819, 1868), FIZEAU (1819, 1896), CORNU (1841, 1902) et même MICHELSON (1852, 1931) comme ses disciples. LORENTZ est l'auteur d'une étude de l'œuvre de FRESNEL (2).
FRESNEL est accompagné dans ses travaux par MALUS (1775, 1812), par ailleurs auteur d’une éphémère théorie corpusculaire, ce qui surprend quelque peu si l'on songe aux expériences et aux lois qui portent son nom.
FIZEAU et FOUCAULT effectuent des expériences de mesure de la vitesse de la lumière. Au départ, les résultats ne sont guère meilleurs que ceux obtenus par ROMER et BRADLEY. Mais l'intérêt de ces mesures est qu'elles vont permettre de mesurer la vitesse dans différents milieux matériels (donc de vérifier qu'elle y est plus faible que dans le vide), ce que ne permettait pas les méthodes antérieures qui faisaient appel à l'astronomie.
Au milieu du XIXème siècle, la théorie ondulatoire de la lumière est solidement installée. Les couleurs sont interprétées en termes de longueur d’onde. Le problème de la couleur reste mal compris. Il est vrai qu’il est complexe. NEWTON, GOETHE (1749, 1832), évidemment plus connu comme écrivain, mais aussi physicien et botaniste, et CHEVREUL (1786, 1889), plus connu comme chimiste, ont notamment élaboré une théorie des couleurs plus ou moins convaincante. Le sujet va ensuite intéresser davantage les biologistes ; c’est-à-dire que c’est surtout le phénomène de perception qui sera ensuite étudié.
Vers 1850, la nature de la lumière semble comprise. Les physiciens vont évidemment chercher à en savoir plus, notamment sur les phénomènes d’émission et d’absorption. La connaissance de ces derniers va permettre d’expliquer, au moins en partie, la couleur des corps.
FRAUNHOFER (1787, 1826), est surtout un expérimentateur. Le progrès technique permet aux physiciens de disposer de sources lumineuses réellement satisfaisantes: arc électrique de DAVY, lampe électrique à incandescence de MOYLENS puis d'EDISON, tube à décharge de GEISSLER (8). De nouveaux physiciens, les spectroscopistes, qui s’intéressent de près aux longueurs d’onde des radiations émises, apparaissent : les premiers sont les Allemands BUNSEN (1811, 1899) et KIRCHHOFF (1825, 1887) et le Suisse BALMER (1825, 1898). Mais les travaux théoriques de KIRCHHOFF sont également importants puisqu'il démontre le principe d'HUYGENS-FRESNEL.
On doit au génie de MAXWELL (1831, 1879) la compréhension fine des phénomènes ondulatoires. Les célèbres équations, qui portent son nom, permettent d’identifier la grandeur qui se propage (un champ électrique et un champ magnétique perpendiculaires). La lumière est considérée, définitivement et exclusivement, croit-on alors, comme une onde électromagnétique transversale. C'est l'apogée de la physique classique, nom qu’on donne en général à la physique des XVIII et XIX èmes siècles.

VII/ La révolution quantique : et la lumière fut !

Elle commence en 1900 et curieusement puisque Max PLANCK (1858, 1947) est un "conservateur profondément attaché à la physique classique".
Le sujet auquel il s'attaque ne concerne qu'indirectement l’optique puisqu'il s'agit de l'étude du rayonnement à l'intérieur d'un four. De nombreux physiciens: JEANS (1877, 1946), RAYLEIGH (1842, 1919), STEFAN (1835, 1893), KIRCHHOFF, WIEN (1864, 1928), ... se sont attaqués à ce difficile problème que PLANCK espère résoudre avec ses élèves (RUBENS et VON LAUE) en utilisant les outils que lui ont laissés les thermodynamiciens CLAUSIUS et MAXWELL.
Il n’est guère possible, ici, de donner une idée de la théorie de PLANCK. Celui-ci commence par retrouver très péniblement un calcul effectué avec beaucoup plus d’élégance par Lord RAYLEIGH quelques années auparavant mais va ensuite beaucoup plus loin. Au départ, chez PLANCK comme chez RAYLEIGH, il est difficile de trouver un corpuscule : il s’agit plutôt de modes propres d’oscillations, c’est-à-dire, en quelque sorte, de quelque chose d’analogue aux notes de musique émises par un violon ou une clarinette. Rien que de très classique, donc. En effet, le caractère arbitraire de certains calculs et un certain conservatisme font que PLANCK met du temps à se persuader que "le quantum élémentaire d'action joue dans la physique un rôle beaucoup plus important" qu'il ne le croit au début. Pendant longtemps, il pense que "la structure discontinue du rayonnement n'apparaît que lorsque ce rayonnement entre en réaction avec la matière" (9). Contraint et forcé, PLANCK va finir par franchir son Rubicon et admettre la nature corpusculaire de la lumière.
Il y est poussé par EINSTEIN (1879, 1955) qui montre en 1905 que les lois de l'effet photoélectrique (arrachage des électrons d’un métal par la lumière) établies par Philip LENARD (1862, 1947), ne peuvent raisonnablement s'interpréter que si on introduit, de façon beaucoup plus radicale que ne l'avait fait PLANCK, un corpuscule, le photon. L'effet COMPTON, choc photon électron pratiquement libre, plus simple dans son principe, est une confirmation particulièrement convaincante des idées d'EINSTEIN.
Les travaux d'EINSTEIN remettent donc la nature corpusculaire de la lumière à la mode. Ils n'effacent pas pour autant toutes les expériences qui ne peuvent être correctement interprétées qu'avec une hypothèse ondulatoire (interférences, diffraction notamment). Le photon serait à la fois une onde et un corpuscule. On sait avec Louis DE BROGLIE que toutes les particules présentent une telle dualité. On a pu proposer le mot quanton pour désigner cette double entité.
Il n'en reste pas moins que pendant longtemps cette dualité est inconfortable pour le physicien. Les expériences d'interférences, notamment, sont particulièrement rebelles à une interprétation corpusculaire, même si on adopte un point de vue statistique, car on sait maintenant faire arriver les photons un par un.
Entre 1945 et 1950, R. FEYNMAN, S.I. TOMONAGA et J. SCHWINGER développent la théorie de l'électro-dynamique quantique qui permet une interprétation cohérente des phénomènes ondulatoires et corpusculaires (1) : il faut lire Lumière et matière de Richard FEYNMAN; on y trouve notamment la réponse à la question suivante:

" La lumière va en ligne droite parce que c'est le chemin le plus court pour aller d'un point à un autre. Mais comment fait-elle pour savoir que c'est le plus court chemin? A-t-elle essayé tous les autres? "

Bibliographie:

1 Richard FEYNMAN; Lumière et matière, une étrange histoire; Interéditions 1987.
2 Emilio SEGRE; Les physiciens classiques et leurs découvertes: de la chute des corps aux ondes hertziennes; Fayard 1987.
3 E. SEGRE; Les physiciens modernes et leurs découvertes: des rayons X aux quarks; Fayard 1984.
4 Jean-Pierre MAURY; Petite histoire de la physique; Références Larousse Histoire 1990.
5 Michel BIEZUNSKI; Histoire de la physique moderne; Editions la Découverte 1993.
6 Les cahiers de Science et Vie, les grandes controverses scientifiques n° 5: FRESNEL, qu'est-ce que la lumière?
7 Certains auteurs sont d’avis qu’une telle présentation minimise l’importance de KEPLER devant celle de GALILEE. Pour une réhabilitation de KEPLER, on pourra notamment consulter C. ALLEGRE; Dieu face à la Science, Fayard 1997.
8 Histoire de la physique; tome 1 sous la direction de J. ROSMORDUC, tome 2 avec J.P. MATHIEU comme coordonnateur; petite collection d'histoire des sciences, Lavoisier Tec & Doc 1987.
9 Pour les découvertes de Max PLANCK, on pourra consulter la référence 3 ou Alfred KASTLER; Max PLANCK et le concept d'énergie lumineuse ; conférence dont le texte a été publié par le CUIDE. Le texte en a été réédité par le BUP (BUP n°797 d’octobre 1997 page 1621).
10 Hubert GIE; L'introduction de la constante d'action h; BUP n° 679 page 327; "Cet exposé s'inspire très directement" du texte de la conférence ref. 9 qui était devenu difficile à trouver avant sa réédition..

Jean-François LE BOURHIS - IA-IPR de Sciences Physiques
Académie de Caen / mai 1998