Activité 02

onde électromagnétique

Remarque : une onde transporte une énergie (DAS dans les pubs)

La lumière a longtemps été considérée comme de nature divine. Si l’on se fie à nos références culturelles, les Grecs ont été les premiers à l’étudier. Pour eux, la lumière est étroitement liée à la vision. Euclide le mathématicien a l’idée brillante de la représenter par de minces filets rectilignes, les rayons lumineux. Il pense que l’œil envoie les rayons frapper les objets, ce qui permet de les voir.  C’est la théorie de l’émission. C’est également celle du philosophe Platon où la lumière est un feu constitué par des traînées de tétraèdres imperceptibles pour les yeux et se déplaçant à grande vitesse.

Les civilisations disparaissent, les bibliothèques demeurent. Dans leur conquête, les Arabes récupèrent les ouvrages grecs et les traduisent. Ils héritent des savoirs antiques, les approfondissent et innovent.

Ses livres seront traduits deux siècles plus tard traduits en latin et circuleront en Europe. Copernic, Kepler, Galilée les lisent et s’en inspirent ; comme pour bien d’autres disciplines, c’est la renaissance scientifique.Galilée passe de l’optique géométrique à l’optique instrumentale en fabriquant une lunette qu’il  pointe vers le ciel. Il découvre les milliers d’étoiles de la voie lactée, les cratères de la lune, les satellites de Jupiter, ici Io, les taches du soleil.

25 ans après la mort de Descartes, Ole Römer, un astronome danois venu travailler à l’observatoire de Paris, étudie le mouvement des satellites de Jupiter, utilisés comme horloges par les navigateurs. Il constate des irrégularités. Io par exemple se lève de plus en plus tard au fur et à mesure que la Terre s’éloigne de Jupiter. Römer attribue ce décalage au temps supplémentaire que met la lumière pour parvenir à la Terre. Il estime même à 22 minutes le temps que met la lumière pour traverser l’orbite terrestre. Il pourrait par une simple division calculer la vitesse de la lumière, malheureusement les dimensions de l’orbite sont encore mal connues à l’époque. Mais le résultat est bien là : la lumière a une vitesse, qui n’est pas infinie.

Cette nouvelle satisfait Huygens, le mathématicien et astronome Hollandais. Elle le conforte dans l’idée que la lumière est une onde, une vibration qui se propage. Sa théorie se heurte à celle d’un éminent savant anglais, Isaac Newton, pour qui la lumière est un flot de particules. Chacun interprète à sa manière les phénomènes lumineux. Prenons la réfraction, ce changement de direction de la lumière quand elle passe d’un milieu transparent à un autre, de l’air à l’eau par exemple. Pour Huygens, s’il y a réfraction, c’est parce que la vitesse des ondes diminue quand elles pénètrent dans l’eau. Newton au contraire utilise les règles qui régissent la balistique des projectiles ; s’il y a réfraction, c’est parce que la vitesse des corpuscules augmente.

Fort de ces succès de l’époque, Isaac Newton emporte la victoire de cette bataille scientifique en publiant Opticks en 1704. À l’aide du prisme, Newton parvient à décomposer la lumière et fait apparaître le spectre de la lumière blanche. Les sept couleurs qu’il met ainsi en évidence sont, selon lui, liées à la taille des grains de lumière qui les constituent. Sa théorie corpusculaire vient éclipser la conception ondulatoire de Huygens qui sera abandonnée jusqu’au début du 19e.

À partir des années 1800, les physiciens Thomas Young et Augustin Fresnel reprennent et expérimentent la théorie ondulatoire de Huygens. Le développement de la spectroscopie permet d’étendre les recherches sur la relation entre rayonnement et matière sur un plus large champ que celui du visible. On conclut, ainsi, par une série d’expériences sur les effets thermiques des corps et sur les actions chimiques des sels d’argent, à l’existence d’ondes invisibles : l’infrarouge et l’ultraviolet.  

La question de la  lumière onde ou amas de corpuscule continue. Pour trancher, Arago propose de comparer expérimentalement la vitesse de la lumière dans l’eau et dans l’air. Foucault et Fizeau ont justement mis au point des dispositifs de laboratoire révolutionnaires pour déterminer la vitesse de la lumière, le premier utilisant un miroir tournant et le second une roue dentée. L’expérience cruciale est réalisée en 1850. Verdict : la vitesse de la lumière est plus faible dans l’eau. Huygens avait raison.

Le triomphe est parachevé en 1865 quand Maxwell réalise la synthèse magistrale de l’électricité et du magnétisme. La lumière est l’addition de deux ondes, une onde électrique et une onde magnétique. La lumière est une onde électromagnétique.