Nos yeux révèlent la splendeur du monde. Que serait-elle sans la lumière ? Celle-ci est surtout source de vie dans le monde : les végétaux la captent, en utilisent l’énergie pour se développer. Ils nourrissent les herbivores, ceux-ci les carnivores… Et que dire de la richesse colorée de notre environnement ? Les règnes végétal, animal, minéral présentent de subtiles nuances. Des irisations se forment dans les gouttes de rosée, entre les cils entrouverts au soleil, dans l’arc-en-ciel. Les paysages présentent des couleurs qui se fondent dans les lointains, bleutés. Les peintres reproduisent ces couleurs, les teinturiers en imprègnent les tissus ; elles apparaissent éclatantes et presque blanches au soleil, les subtilités en apparaissent au crépuscule ou à l’ombre… Toutes les couleurs obtenues par l’industrie humaine le sont surtout à partir des pigments ou des teintures. Les pigments restent à la surface des substances, les teintures y entrent en profondeur. Tous deux peuvent être d’origine minérale (cinabre, lapis-lazuli, oxydes, sulfures…) ou organique. Dans ce cas, ils proviennent d’animaux (cochenille, os, sépia…) ou de végétaux (garance, guède, indigo…). Dès l’Antiquité furent aussi synthétisés des colorants artificiels, qui « passaient » moins avec le temps, mais présentaient la même variabilité que les substances naturelles, tant cette variabilité est caractéristique du monde coloré… C’est l’histoire des conceptions philosophiques puis scientifiques de la lumière qui est contée ici.
La science antique ne se préoccupe pas de la lumière, mais de la vision.
Les philosophies antiques ne s’intéressent pas à la lumière : seuls l’homme et ses sensations y sont objets d’interrogation. La vision est considérée comme l’action du « semblable sur le semblable ». Selon les pythagoriciens, les yeux brillent, ceux des chats plus que ceux des hommes, nous pouvons sentir un regard se poser sur notre nuque : tous ces faits montrent qu’un feu visuel sort des yeux, rencontre le feu du soleil ou les feux réfléchis par les objets ; de cette rencontre naît la vision. Lire la suite
Les premières théories de la lumière apparaissent dans les pays d’Islam.
Après la chute de l’empire romain, une nouvelle religion apparaît avec comme prophète Mohammed. Elle s’étend rapidement de Saragosse à Samarkand. Les principales villes du nouvel empire musulman (Damas, Bagdad, Kairouan, Cordoue, Ispahan, le Caire…) connaissent une extraordinaire effervescence intellectuelle : des bibliothèques et des institutions d’enseignement sont créées, de nombreux textes sont traduits. C’est dans ce contexte que les sciences arabes (c’est à dire écrites en arabe, quelle que soit la confession des auteurs), empruntant à plusieurs traditions (grecque, indienne, chinoise, babylonienne), profanes, vont se développer et aller plus loin que toutes celles qui les ont précédées. Lire la suite
La lumière lors de la naissance de la science moderne : des ondes qui se propagent.
Dès la fin du Moyen-Âge, en Italie, les « perspectivistes » du Quattrocento font apparaître un nouvel espace, homogène, ne distinguant plus régions céleste et terrestre. À leur suite, la science expérimentale vient contester la suprématie de la métaphysique. Désormais, le savant, qui vit et développe son activité à la cour des mécènes, cherche les applications pratiques, ne doit plus faire confiance qu’à sa seule raison, mais appliquer la méthode hypothético-déductive, s’appuyer sur la mécanique et sur les méthodes de contrôle des artisans pour progresser, puisque, comme l’affirme Galilée, le monde est « écrit en langage mathématique ». Les bases de la science moderne sont posées. Lire la suite
Newton et sa théorie corpusculaire de la lumière.
Récusant Descartes (« En ce qui concerne la physique, Monsieur Descartes, n’a jamais rien dit de bon »), Newton fait le raisonnement suivant : si les planètes étaient entraînées par l’éther, il y aurait contacts, frottements, dissipation de chaleur, perte de mouvement : l’horloge de Descartes devrait s’arrêter. Le monde ne peut donc être plein : il est vide ! En 1666, à 23 ans, il s’intéresse aux couleurs. Parmi les traditions qui l’on précédé, il préfère d’emblée la théorie corpusculaire : il part de l’hypothèse que les rayons de lumière sont constitués de corpuscules de masses et de vitesses différentes. Lire la suite
XVIIème et XIXème siècles : la lumière est-elle ondes ou corpuscules ?
Le problème de la nature de la gravitation agite le début du siècle des Lumières. La théorie de Newton, introduisant des causes finales (Dieu) dans la physique apparaît inacceptable aux Clairaut, d’Alembert, Euler, qui veulent la prendre en défaut. Par contre Voltaire, après son séjour forcé en Angleterre, en revient newtonien convaincu. Bientôt, les succès des prévisions de la mécanique newtonienne sur la forme de la terre, la précession des équinoxes, la prévision, vérifiée, du retour de la comète de Halley, finissent par entraîner la conversion de la plupart des savants du continent, hypothèse théologique en moins. Lire la suite
Maxwell : la lumière est une onde électromagnétique.
À la même époque, le système de Newton subit d’autres assauts : pour expliquer la chaleur, des physiciens introduisent une substance sans poids le calorique. Pour rendre compte de l’électricité, du magnétisme, ils font appel à d’autres fluides non pondéraux. Le Danois Oersted veut mettre en évidence les conflits de forces qui ne peuvent que se produire dans l’espace. Il croit prouver cette assertion de la « Naturphilosophie » en mettant en évidence des « conflits électriques » et des « conflits magnétiques » : un aimant peut repousser ou attirer un conducteur dans lequel circule un courant électrique, et réciproquement. Or, cette action s’exerce perpendiculairement aux corps en interaction, alors que toute la physique newtonienne décrit des attractions selon les droites qui joignent ces corps. Arago introduit ces expériences en France, Ampère les mathématise et les étend. Lire la suite
La lumière n’est ni ondes, ni corpuscules.
Einstein va résoudre la première contradiction en 1905 grâce à sa « théorie de la Relativité ». Il part de la constatation que l’action d’un courant sur un aimant et l’action d’un aimant sur un conducteur ne sont pas décrites symétriquement. Pour parvenir à une théorie exempte de contradictions, il rejette un éther devenu inutile, propose de considérer la vitesse de la lumière dans le vide comme une vitesse limite que l’on ne peut dépasser, montre qu’à des vitesses proches de cette limite il ne faut plus considérer l’espace et le temps comme absolus, que leurs mesures varient avec la vitesse du système de coordonnées dans lesquels on les repère, qu’alors espace, temps, vitesse sont liés dans un même « continuum espace-temps ». Lire la suite
Lumière et matière sont englobées dans une même description dans la physique actuelle.
La résolution des « deux petites contradictions » constatées entraîne les physiciens contemporains dans de bien étranges voies. Pour décrire l’infiniment petit et les objets se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière, ils ont dû renoncer à l’espace à trois dimensions et lui substituer le « continuum espace-temps ». Il leur a fallu abandonner les deux objets physiques que sont la particule et l’onde et les remplacer par le quanton – ni onde, ni corpuscule. Ils ont montré que l’énergie peut se transformer en masse, et la masse en énergie, que la matière et la lumière peuvent être englobées dans une même description. Ils ont dû estomper la distinction entre le continu et le discret. Au dualisme de la physique classique succède le monisme quantique. Lire la suite
BM, avril 2015