Bibliophilie et Sciences: théories sur la lumière… matière, onde ou corpuscule?

Amis Bibliophiles bonsoir,
Bernard a entrepris la tâche ardue d’éveiller nos consciences aux beautés méconnues des sciences physiques par le biais insidieux de la bibliophilie… et nous nous laissons faire avec joie. Je lui cède donc la parole…
Au cours du dernier repas des bibliophiles, dans le brouhaha des conversations, une interrogation « vitale » entre deux convives (et entre deux gorgées de Brouilly) a porté sur la nature des êtres qui constituent notre univers …. Pendant que d’autres parlaient Savoie, Humanisme, Reliures, Nouvelle Revue … D’abord quelques mots sur la lumière, « vue » par trois maîtres : Descartes, Newton et Huygens et cela, bien sur, à partir de leurs ouvrages.
Descartes imagine l’espace rempli d’une matière subtile formée de particules sphériques et contiguës. Ces particules transmettent instantanément les vibrations des corps lumineux à notre œil. En 1637 il publie ses idées à la suite son fameux Discours de la Méthode. Le titre complet est : Discours de la méthode pour bien conduire sa raison, et chercher la vérité dans les sciences. Plus la Dioptrique, les Météores, et la Géométrie. Qui sont des essais de cette Méthode.

La Dioptrique, premier appendice au Discours, traite de la lumière, de l’œil, de la vision et des moyens de perfectionner cette vision, mais surtout il énonce à la fin du discours premier, deux lois physiques fondamentales : la loi de la réflexion et la loi de la réfraction, développée dans le discours second. C’est ce que l’on appelle depuis « les lois de Descartes », capitales dans le domaine de l’optique géométrique.L’édition originale étant inaccessible, je me contente de l’édition de 1668 dans laquelle la Mécanique apparaît pour la première fois.
Discours de la Méthode pour bien conduire sa raison, & chercher la vérité dans les Sciences. Plus La Dioptrique, les Météores, la Méchanique, et la Musique, Qui sont des essais de cette Méthode. Paris, Angot. 1668. 3ème édition. 1 volume in-4 ; 303, (23), 127, (1) pp.Pour Newton l’espace est vide. La lumière émise par le soleil est composée de particules de masses différentes qui provoquent sur notre rétine des sensations distinctes appelées couleurs. La propagation rectiligne de la lumière et la réflexion s’interprètent facilement ce qui n’est pas le cas de la réfraction. En 1672, la théorie des couleurs est lue à la Royal Society. Les critiques incitent Newton à retarder la publication.

Ce n’est qu’en 1704 que Newton publie Opticks, ouvrage qui explique en détail ses théories. La seconde édition anglaise parait en 1717. Newton y ajoute des compléments sur la pesanteur. Pierre Coste (1668-1747), réfugié en Angleterre à la suite de la révocation de l’édit de Nantes et ami de Newton fait la première traduction française de cette édition. Les dernières pages donnent le catalogue des livres imprimés chez Pierre Humbert, libraire à Amsterdam. L’autorité de Newton imposera cette conception jusqu’au début du XIXème.
Traité d’optique sur les réflexions, réfractions, inflexions et couleurs de la lumière. Amsterdam, Pierre Humbert. 1720. 1ère édition française. 2 volumes in-8 ; XV, (1), 328 pp, 9 pl. – (2) pp, pp 331 à 583, (17) pp, 3 pl.Une seconde édition française de la traduction de Coste, « beaucoup plus correcte que la première », parait en 1722.Paris, Montalant. 1722. 1 volume in-4 ; (20), 495 (mal chiffrée 595)*, (1) pp, 12 pl.Christian Huygens, imagine la lumière comme une onde se transmettant de proche en proche dans l’espace. Il suppose que la lumière se propage sous la forme d’ondes sphériques et que chaque point atteint par l’onde devenait une nouvelle source. Il publie ses idées en 1690 dans son Traité de la lumière. Traité de la Lumière. Où sont expliquées les Causes de ce qui luy arrive dans la Réflexion, et dans la Réfraction. Et particulièrement dans l’étrange Réfraction du Cristal d’Islande. Avec un Discours de la Cause de la Pesanteur.Leide, P. van der Aa. 1690. 1 volume in-4 ; (8), 124, (2) pp, pp 125 à 128, (2) pp, pp 129 à 180.Cette théorie, opposée à celle de Newton, rencontre peu de crédit à l’époque. Newton triomphe jusqu’au début du XIXème, époque à laquelle Fresnel revient à la théorie ondulatoire. Cette théorie l’emportera jusqu’au début du XXème.

En fait, les deux théories sont complémentaires : dans certains cas la lumière agit comme un ensemble de particules appelés photons et dans d’autres comme une onde : c’est la dualité onde-corpuscule.
Cette dualité a été généralisée à tous les constituants intimes de la matière par Louis de Broglie en1923. Il publie trois notes dans les « Comptes rendus de l’Académie des sciences », trois notes qui constituent le point de départ de la mécanique ondulatoire. De Broglie associe une onde à toute particule. En particulier il établit la relation fondamentale entre le mouvement d’un corpuscule libre et la propagation de l’onde qu’il propose de lui associer : λ = h/p. Cette relation est à placer au même niveau que la relation d’Einstein E = mc2.La mécanique ondulatoire, est l’un des plus grands événements scientifiques depuis Galilée. De Broglie a été élu à l’Académie des sciences en 1933 et à l’Académie française en 1943. Il a reçu le prix Nobel de physique en 1929.
Paris, Gauthier-Villars. 3 brochures in-4 ; 10 septembre 1923 – 24 septembre 1923 – 8 octobre 1923.Pour conclure, la matière se présente à nos yeux comme formée de particules. Une division ultime montre que ses composants ont une double nature. Les expériences le confirment chaque jour. Dès la TS on montre qu’en ajoutant de la lumière à de la lumière on peut, dans certains cas, obtenir de l’obscurité, de la même manière qu’en ajoutant deux sons on peut obtenir du silence ! A un certain niveau la physique rejoint la philosophie (métaphysique ?).
Merci Bernard,
H

À lire ensuite

Bibliophilie et Sciences: Fresnel, théoricien et expérimentateur..

Amis Bibliophiles bonjour,

Augustin-Jean Fresnel (1788-1827), polytechnicien, ingénieur des Ponts et chaussées, est bien connu pour l’invention des lentilles à échelons qui équipent les phares. Il est très tôt convaincu de la nature ondulatoire de la lumière. Pour participer à un concours sur ce sujet ouvert en 1817 par l’Académie des Sciences, il rédige un mémoire  très critiqué par les mathématiciens de l’Académie, fidèles à la conception corpusculaire de Newton. Mais Fresnel répond aux critiques et son mémoire est couronné en 1819. A la suite de quoi il entreprend ses recherches sur la polarisation en collaboration avec Arago. Tous ses travaux sur la lumière sont exécutés en huit ans. Il est élu membre de l’Académie des Sciences en 1823.


MÉMOIRE SUR LA DIFFRACTION DE LA LUMIÈRE.[Paris, 1816.]1 volume in-8 ; 43 pp, 1 pl.
Fresnel décrit ici, pour la première fois, ses célèbres expériences de diffraction de la lumière par un trou ou un fil. Ce premier Mémoire, déposé à l’Institut le 23 octobre 1815, parait initialement en 1816, dans le troisième cahier du premier tome des  Annales de Chimie et de Physique (pages 239 à 281). Ce volume en est un tiré à part. On y trouve des  corrections autographes, pages 7 et 8.Le rapport de Poinsot et Arago, présenté le 27 mars 1816, conclut, de l’accord du calcul avec l’expérience, que l’hypothèse ondulatoire présentée par Fresnel « sans être complètement garantie, mérite d’être étudiée ». Dans une lettre écrite le 4 mars 1816 à son frère Léonor, Augustin Fresnel écrit, en parlant d’Arago : « il a dit à l’Institut que mon mémoire est de nature à faire une révolution dans la science ». Cette opinion est combattue par Biot et Laplace.



MÉMOIRE SUR LA DIFFRACTION DE LA LUMIÈRE.Paris. Juillet-août 1819.1 volume in-8 ; (3), pp 4 à 94, 1 pl.
Le Grand Prix de l’Académie des Sciences de 1819 portant sur la diffraction, Fresnel y voit une chance unique d’exposer ses idées et méthodes novatrices. En poussant les calculs de Fresnel, Poisson, qui est un des membres du jury, parvient à la conclusion suivante, en apparence contradictoire: si on émet de la lumière perpendiculairement à un disque sombre, alors le centre de la zone d’ombre produite par ce disque est un point lumineux. Arago, président du jury, ordonne la vérification expérimentale de cette prédiction, qui est avérée. Fresnel est le lauréat du Grand Prix.
Le mémoire parait dans les cahiers de juillet et août 1819 du tome XI des Annales de Chimie et de Physique (pages 246 à 295 et 337 à 378). Ce volume en est un tiré à part.
Cet exemplaire contient un envoi de l’auteur à Monsieur Louis Bruyère (1758-1831), et deux pages manuscrites, version abrégée de l’introduction de l’édition de 1826 qu’on trouve dans le tome V des Mémoires de l’Académie des Sciences.

MÉMOIRE SUR LA DIFFRACTION DE LA LUMIÈRE – MÉMOIRE SUR LA DOUBLE RÉFRACTION.Extraits des tomes V et VII des Mémoires de l’Académie des sciences.Paris, F. Didot – Imprimerie Royale. 1826 pour les  années 1821-1822 et  1827 pour l’année 1824.1 volume in-4 ; pp (339) à 475, 1 pl – pp (45) à 176, 1 pl.
Fresnel indique au sujet du premier mémoire: « En publiant ce mémoire qui a été couronné par l’Académie en 1819, on a fait quelques changements à la rédaction du manuscrit déposé à l’Institut le 29 juillet 1818, mais sans apporter aucune modification à la théorie et aux expériences qu’il contient. Désirant y ajouter quelques expériences nouvelles et quelques développements théoriques, on les a placés dans des notes à la suite du Mémoire. »
Au sujet du second mémoire, Fresnel indique: « Les trois mémoires dont celui-ci est la réunion ont été successivement présentés à l’Institut le 26 novembre 1821, le 22 janvier 1822 et le 22 avril de la même année. En les réunissant on a changé l’ordre des matières et fait des suppressions assez considérables; mais on n’a rien ajouté d’essentiel aux faits nouveaux et aux vues théoriques qu’ils contenaient: l’on a seulement donné à celles ci quelques développements nécessaires à leur intelligence, et l’on a cru utile d’insérer dans ce mémoire une démonstration complète de la direction transversale des vibrations lumineuses car c’est sur ce principe que repose la théorie de la polarisation et de la double réfraction: cette démonstration a déjà été publiée dans le Bulletin de la société philomathique, mois d’octobre 1824.»
Les travaux de Fresnel sont résumés en 1822 dans un supplément à la traduction française, par Riffault, de la cinquième édition du système de chimie de Th. Thomson.

 DE LA LUMIÈRE.Paris, Méquignon Marvis. 1822. 1ère édition.1 volume in-8 ; pages 1 à 137.
Dans une note page 41, il se montre précurseur : « Les corps absorbent une portion notable de la lumière incidente ; mais il n’en faut pas conclure que le principe de la conservation des forces vives n’est plus applicable à ces phénomènes ; il en résulte au contraire, de l’idée la plus probable qu’on puisse se faire sur la constitution mécanique des corps, que la somme des forces vives doit toujours restée la même et que la quantité de force vive qui disparaît comme lumière est reproduite en chaleur ».
Enfin, l’oeuvre complète de Fresnel est publiée de 1866 à 1870.

 ŒUVRES COMPLÈTES PUBLIÉES PAR MM. H. DE SENARMONT, E. VERDET, ET L. FRESNEL.Paris, Imprimerie Impériale. 1866-1868-1870.3 volumes in-4 ; portrait, (4), XCIX, 804, (2) pp, 1 tableau – (4), 864, (2) pp, 1 pl. – (4), LXXV, 751 pp, 19 pl.
La majeure partie des travaux de Fresnel n’était connue que par des extraits ou des résumés; ces œuvres ainsi réunies et publiées dans leur intégralité ont fait connaître le grand génie, qui en quelques années, a révolutionné la haute optique et assis sur des bases inébranlables la doctrine des ondulations.
Bernard