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Histoire de l'optique

L'histoire de l'optique est une partie de l'histoire des sciences. Le terme optique vient du grec ancien τα ὀπτικά. C'est à l'origine, la science de tout ce qui est relatif à l'œil. Les Grecs distinguent l'optique de la dioptrique et de la catoptrique. Nous appellerions probablement la première science de la vision, la seconde science des lentilles et la troisième science des miroirs. Les grands noms de l'optique grecque sont Euclide, Héron d'Alexandrie et Ptolémée.

Une bande de couleur allant du violet sombre à gauche au rouge sombre à droite, des traits noirs la barrent en divers endroits.
La connaissance progressive des caractéristiques du spectre lumineux, avec les raies de Fraunhofer, marque la transition d'une optique géométrique, vers une optique en lien avec la matière, l'atome et l'univers

Depuis l'Antiquité, l'optique a connu de nombreux développements. Le sens même du mot a varié et de l'étude de la vision, elle est passée en plusieurs étapes à celui de l'étude de la lumière, avant d'être incorporée récemment dans un corpus plus large de la physique.

Les premiers travaux d'optique pratique visent la mise au point de lentilles et remontent aux anciens Égyptiens et Babyloniens.

C'est au Moyen Âge, dans les sociétés arabo-musulmanes, qu'apparait une nouvelle conception, le rayon lumineux est indépendant de l'œil humain. Le grand savant arabe dans ce domaine est Ibn al-Haytham, plus connu sous le nom d'Alhazen. On a pu le qualifier de « père de l'optique ».

Les problèmes relevant de la perception visuelle n'ont été écartés du champ d'étude de l'optique qu'à la fin de la Renaissance, les précurseurs que sont Kepler et Descartes mêlant encore les deux notions.

Durant la Renaissance, le développement de divers instruments d'optique (lunette astronomique, télescope, microscope) est à la base de révolutions scientifiques. Ainsi, la confirmation de la théorie de Copernic par des observations à travers la lunette de Galilée, ou la découverte des animalcules grâce au microscope du Hollandais Antoni van Leeuwenhoek .

Christian Huygens et surtout Isaac Newton ont apporté à l'optique des éclaircissements théoriques.

Aujourd'hui, l'optique reste au cœur de la physique, avec les questions liées à la physique du rayonnement.

Les anciens Chinois et Indiens avaient aussi étudié l'optique. Mais à la différence des savants grecs et arabes, les connaissances en optique des anciens savants indiens et chinois n'ont que très peu influencé le spectaculaire développement de cette science qui s'est effectué en Europe de la Renaissance au début du XXe siècle.

L'aventure de l'optique, comme d'ailleurs celle des autres sciences, est de nos jours mondialisée (cf. les articles histoire des sciences et techniques en Chine, et history of Indian science and technology (en))

Antiquité
la lentille Nimrud Assyrie - diam 38 mm - vers 750 av. J.-C. - (British museum)
défense de Syracuse par Archimède. (Giulio Parigi - Italie vers 1600 )

Les premières lentilles optiques furent fabriquées sous l'empire assyrien et sont antérieures à -700[1] : il s'agissait de cristaux polis. La plupart du temps de quartz - voir photo ci-contre.

Des lentilles similaires furent fabriquées par les anciens Égyptiens, les Grecs et les Babyloniens.

Les Romains et les Grecs remplissaient des sphères de verre avec de l'eau pour en faire des lentilles (verre ardent) destinées à allumer le feu. L'usage de prisme devait sans-doute être connu.

L'usage des lunettes pour améliorer la vision ne semble pas avoir été beaucoup pratiqué avant le Moyen Âge.

Les premières théories en matière d'optique apparurent en Grèce.

  • Euclide, au IIIe siècle av. J.-C. est l'auteur d'une théorie d'optique géométrique, les Catoptrica (Théorie des miroirs), qui voit apparaître la notion de rayon lumineux.
  • À la même époque, Archimède a très certainement travaillé dans ce domaine, même si la réalité historique de ses célèbres miroirs embrasant les vaisseaux ennemis est plus douteuse.
  • Héron d'Alexandrie, au Ier siècle de notre ère, écrit également des Catoptrica.
  • Au siècle suivant, Ptolémée rédige une Optique[2]. Il y traite des propriétés de la lumière, notamment de la réflexion, de la réfraction, et singulièrement de la réfraction atmosphérique, ainsi que de la couleur. Ses travaux sur la réflexion portent tant sur les miroirs plans que sur les miroirs sphériques. En ce qui concerne la réfraction, s'il ne parvient pas à en définir la loi fondamentale, il montre que l'angle de réfraction croît à mesure que croît l'angle d'incidence et il établit des tables pour l'air et l'eau[3].

Au sujet de la vision, les anciens étaient partagés en plusieurs camps.

  • Les « intramissionnistes », tels Épicure pensent que les objets envoient des émanations (simulacres - εἴδωλα) qui parviennent aux yeux de l'observateur. Parmi eux, les atomistes considéraient que ces émanations étaient des atomes ténus.
  • À l'inverse, les « extramissionnistes » estiment que les yeux projettent un flux qui permet la perception de l'objet par une sorte de contact, à l'instar du toucher.
  • Pour d'autres savants antiques, sorte de compromis entre ces deux positions extrêmes, la vision résulte d'une interaction entre émanations des objets et flux visuel. C'est déjà l'opinion d'Empédocle au Ve siècle av. J.-C. Pour Ptolémée, par exemple, la vision résulte d'une interaction entre le flux visuel issu des yeux (visus en latin) et les émanations caractérisant compacité lumineuse et couleur. S'il ne recèle pas par lui-même de luminosité, l'objet doit être éclairé, stimulé en quelque sorte, pour que l'interaction se produise[4]. L'Optique de Ptolémée ne nous est malheureusement pas parfaitement connue, car elle ne nous est parvenue que par l'intermédiaire d'une traduction latine[5], elle-même issue d'une traduction arabe assez imparfaite et incomplète[6] : le livre I, qui contient la théorie de la vision, est perdu. Son propos est cependant connu par un bref résumé au début du livre II et les grandes lignes de sa théorie de la vision peuvent aussi se déduire d'indications éparses dans le texte[7]. Au côté de Ptolémée, c'est-à-dire au nombre de ceux qui tentent une synthèse des deux courants anciens, il faut également ranger le médecin gréco-romain Galien qui fonde son opinion de l'observation anatomique de l'Å“il. Pour lui le corps émet un flux visuel qui interfère avec l'image de l'objet pour produire la sensation de vision. Ce flux part du nerf optique et se divise en de multiples ramifications à la manière d'un petit filet (retina). La fusion des deux flux s'effectue dans le cristallin.

700 à 1100 (Période musulmane et viking)

Période musulmane
Ibn Sahl : loi de la réfraction : avec les triangles rectangles, le rapport des deux hypoténuses est constant.

Les premiers travaux d'importances furent ceux d'Al-Kindi (vers 801–873) : dans De radiis stellarum (traduction latine), il développe la théorie que « toute chose dans le monde […] émet des rayons dans toutes les directions, ce qui remplit le monde entier[8]. »

Puis Ibn Sahl (vers 940-1000), mathématicien persan à la cour de Bagdad, écrit un traité vers 984 sur les miroirs ardents et les lentilles dans lequel il expose comment les miroirs courbes et les lentilles peuvent focaliser la lumière en un point. On y trouve la première mention de la loi de la réfraction redécouverte plus tard en Europe sous le nom de loi de Snell-Descartes[9]. Il utilisa cette loi pour établir la forme de lentilles et miroirs capables de focaliser la lumière sur un point de l'axe de symétrie.

Mais, dans ce domaine de l'optique, le plus influent des savants arabes est Ibn al-Haytham, plus connu en Occident sous son surnom d'Alhazen. Il prend pour base les théories antiques, mais parvient à les soumettre à l'arbitrage de la réalité par de nombreuses expériences, souvent très simples mais très ingénieuses, qui lui permettent d'étayer son argumentation. Il conclut en particulier, et pour la première fois sur des bases à peu près bien fondées, qu'il convient de concevoir l'œil comme un récepteur et non un émetteur. Il revient sur le rôle du cristallin, assimile l'œil à une chambre noire, étudie la vision binoculaire, etc. Son œuvre majeure Kitâb fi'l Manazîr (Traité d'optique 1015 - 1021), traduite en latin par Vitellion constitue la base de l'optique occidentale pendant le bas Moyen Âge et la Renaissance.

  • Développement de la théorie et de l'observation (voir maison de la sagesse).
  • L'instrumentation et la technique se développe : amélioration des lentilles, lunettes, observatoires astronomiques.
  • Première mention de la loi de la réfraction (sans suite).

Vikings
spath d'Islande

Entre le VIIIe et le XIe siècle, les Vikings entreprirent de longs voyages sur les mers, alors que peu de choses sont connues sur leurs méthodes de navigation à une époque où la boussole n'avait pas encore été introduite en Europe. L'hypothèse selon laquelle ils auraient pu utiliser une pierre de soleil pour s'orienter en exploitant la polarisation de la lumière du soleil fut formulée à la fin des années 1960 par l'archéologue danois Thorkild Ramskou (da). Malgré l'absence de toute preuve de l'utilisation d'une telle pierre, cette hypothèse fut dans l'ensemble considérée favorablement par la communauté scientifique et souvent relayée dans la presse et les œuvres de fiction. Elle a fait l'objet de nombreuses publications portant sur son évocation dans la littérature, la nature précise de cette « pierre » et les techniques possibles de navigation par polarimétrie.

Bas Moyen Âge et Renaissance
Réfraction de la lumière par un verre sphérique (Roger Bacon)
  • Redécouverte des travaux antiques et arabes (Vitellion) - Progrès de l'optique géométrique - naissance de la théorie de la perspective (voir article perspective conique)
  • Intérêt accru pour la connaissance de l'Å“il en tant qu'organe de la vision
  • Dès le XIVe siècle, l'érudit Thierry de Freiberg († ) avait décrit la dispersion de la lumière par un dioptre épais (en l'occurrence des urinaux) et s'était efforcé d'expliquer sur cette base le phénomène de l'arc-en-ciel[10].

Avec le succès de La Magie naturelle (1558) de della Porta, les dioptres en verre devinrent des curiosités qu'on pouvait se procurer lors des foires.

XVIIe siècle
Œuvre fondatrice de Newton, Opticks est publié en 1704.

Avec Christian Huygens et surtout Isaac Newton que l'optique connaît des développements théoriques importants : Newton à l'aide de prismes et de lentilles montre que la lumière blanche peut être non seulement diffractée jusqu'à être décomposée en plusieurs lumières de différentes couleurs, mais même recomposée (cercle chromatique de Newton - voir aussi spectre lumineux). Il produit la première théorie solide de la couleur et met également en évidence les phénomènes d'interférence (anneaux de Newton). Ses travaux le conduisent à supposer une nature corpusculaire à la lumière. Vers la même époque, Huygens développe les idées de Descartes et postule au contraire la nature ondulatoire du phénomène (voir principe de Huygens), initiant ainsi l'optique ondulatoire.

En 1672, Newton : « au commencement de 1666, je me procurai un prisme de verre triangulaire pour faire l'expérience du célèbre phénomène des couleurs […] Il me fut agréable de contempler les couleurs vives et intenses ainsi produites »[11]. Newton publia dans son traité intitulé Opticks ses résultats sur la dispersion de la lumière. Il indiqua d'abord comment la lumière blanche peut être décomposée en composantes monochromes avec un prisme ; puis il prouva que ce n'est pas le prisme qui émet ou produit les couleurs, mais que ce dioptre ne fait que séparer les constituants de la lumière blanche[12].

En 1603, la fluorescence était déjà connue ( Aux environs de l'an 1000 existait chez l'empereur de Chine, un tableau magique sur lequel un bœuf apparaissait chaque soir. Ce fut le premier exemple, dans l'histoire, d'un matériau fabriqué par l'Homme, capable d'émettre de la lumière luminescente. Ce procédé fut retrouvé par hasard[13] par le bottier et alchimiste bolonais Vincenzo Cascariolo (1571-1624) en 1603[14])

Copie du télescope de 6 pouces d'Isaac Newton (1672).

Non daté

XVIIIe siècle
Aberrations chromatiques rouge/bleu
lumière semblant provenir d'ailleurs pour un télescope en mouvement

XIXe siècle

Au XIXe siècle, Thomas Young à l'aide de ses nouvelles expériences d'interférence et à la suite de la découverte du phénomène de polarisation repose la question de la nature de la lumière. Mis au courant, Augustin Fresnel reprend et perfectionne la théorie de Huyghens, et peut rendre compte de la totalité des phénomènes optiques connus. La théorie de Newton est abandonnée et la lumière est conçue comme une vibration d'un milieu très ténu dans lequel baigne l'espace : l'éther. Les découvertes de Hertz et les illustres travaux de Maxwell permettent vers la fin du siècle d'unifier optique et électricité dans un corpus plus large, celui de l'onde électromagnétique :

  • le domaine optique du spectre lumineux n'est en fait qu'une petite partie du spectre électromagnétique
  • l'onde lumineuse devient porteuse de l'interaction électrique et magnétique, l'optique devient vectorielle; le phénomène de propagation est décrit par la variation d'un champ de vecteurs.

Première moitié (1801-1850)
Fentes de Young.
1803, Young
1826, Première photographie

Deuxième moitié (1851-1900)
1861, première photographie couleur
Illustration, 1884

Non daté très précisément

XXe siècle
Un interféromètre de Michelson - Type d'appareil utilisé dans l'expérience de Michelson Morley, qui a montré que la vitesse de la lumière en provenance des étoiles ne dépendait pas de la vitesse absolue de la terre dans l'espace - L'interprétation de cette expérience par A. Einstein a donné naissance à la théorie de la relativité.

L'optique étant véritablement au cœur de la physique du XXe siècle, qui est pour une grande part une physique du rayonnement, ses plus grands noms en sont ceux des physiciens généraux : Albert Einstein, Max Planck, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac, etc.

Première moitié (1901-1950)

Le début du XXe siècle voit à nouveau une révolution dans la physique avec l'apparition presque simultanée de deux théories fondamentales : la mécanique quantique et la relativité. L'hypothèse des particules de lumière reprend une partie de son ancien lustre, et la nouvelle théorie admet le caractère à la fois ondulatoire et corpusculaire de la lumière. En revanche, on a moins besoin de l'éther dont l'existence est abandonnée. L'optique quantique, dont le laser est probablement la plus éminente application, voit le jour.

  • En 1929 Chung-Yao Chao, à Caltech, note la présence d'électrons positifs (positrons)[45]

Deuxième moitié (1951-2000)
Laser rouge (635 nm), vert (520 nm) et bleu (445 nm)
Une fibre optique moderne
1995, Le Champ profond de Hubble (astronomie)

Siècle courant
Laser bleu : faisceau de lumière quasi-monochromatique et cohérente.
Hologramme sur un billet de 200 euros

Les techniques d'imagerie numérique (traitement d'images) sont également d'apparition récente et se situent à la frontière de l'optique.

Chronologie
  • En 2006, métamatériaux, John Pendry, de l'Imperial College
  • En octobre 2011, généralisation des lois de la réflexion et de la réfraction[55]. (Modification de l'interface séparant les deux milieux de façon à introduire un déphasage sur le faisceau lumineux qui ne soit plus uniforme mais qui dépend de l'espace)
  • En 2013 on découvre que certaines longueurs d'onde (au sein de la lumière que nous percevons comme bleue) endommagent certaines cellules pigmentaires du fond de l'Å“il humain. (cf. longueur d'onde)

Date inconnue

Notes et références
  1. (en) BBC News, World's oldest telescope?
  2. A. Mark Smith, Ptolemy's theory of visual perception: an English translation of the Optics with Introduction and Commentary, The American philosophical society, Philadelphie, 1996, p. 4, 14-17. Disponible en ligne https://books.google.com/books?id=mhLVHR5QAQkC&pg=PP1&dq=ptolemy+theory+of+visual+perception#v=onepage&q=&f=false.
  3. A. Mark Smith, Op. cit., p. 43 ss.
  4. A. Mark Smith, Op, cit, , p. 26 ss.
  5. Réalisée par l'émir Eugène de Sicile vers 1150.
  6. Albert Lejeune, L' Optique de Claude Ptolémée, dans la version latine d'après l'arabe de l'émir Eugène de Sicile., édition critique et exégétique augmentée d'une traduction française et de compléments, Louvain, Bibl. universitaire, 1956, 2e éd. : Brill (Leiden, New York), 1989. Voir les p. 9-20 et 132-135.
  7. Par exemple en II, 12.
  8. (en) D. C. Lindberg, Theories of Vision from al-Kindi to Kepler, (Chicago, Univ. of Chicago Pr., 1976), p. 19.
  9. (en) R. Rashed, « A Pioneer in Anaclastics: Ibn Sahl on Burning Mirrors and Lenses Â», Isis 81 (1990): 464–91.
  10. A. C. Crombie, Histoire de la science de Saint Augustin à Galilée, Paris, PUF, , cité par Bernard Maitte, La lumière, Paris, Éditions du Seuil, coll. « Points science », , 340 p. (ISBN 2-02-006034-5), « La lumière de l'Antiquité à la Renaissance », p. 35-36
  11. Bernard Maitte, La lumière, Paris, Seuil, coll. « Points Sciences », , 352 p. (ISBN 2-02-006034-5), p. 117
  12. « The Era of Classical Spectroscopy », sur web.mit.edu (consulté le )
  13. Il pensait avoir trouvé le secret de la fabrication de la Pierre philosophale en faisant chauffer de la baryte (ou sulfate de baryum : BaSO4), minéral dont il avait découvert des échantillons en fouillant au pied du Mont Paderno, près de Bologne. Sa Pierre de Bologne eut un grand succès dans toute l'Europe.
  14. Épisode peu connu mais parfois cité dans des manuels traitant de l'histoire de la chimie ou de la physique : par, exemple, le [gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k79012k/f221.image.r=vincenzo%20cascariolo.langFR Cours de physique de l'École polytechnique] de Jules Jamin, Tome 3, Fascicule 3, page 220, Paris (nombreuses édition et rééditions).
  15. Le sénateur Antonio di Gerolamo Priuli en a laissé une description.
  16. René Descartes, Discours de la méthode,
  17. Robert Hooke, Micrographia : or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon…, (digital.library.wisc.edu/1711.dl/HistSciTech.HookeMicro ')
  18. Christian Huygens, Traité de la lumiere,
  19. 1664 book Micrographia
  20. Démonstration touchant le mouvement de la lumière trouvé par M. Roemer de l'Académie des sciences
  21. Les Transactions
  22. Thomas Young (scientist)
  23. http://www.dartmouth.edu/~phys1/labs/lab2.pdf
  24. « Annales de chimie ; ou Recueil de mémoires concernant la chimie et les arts qui en dépendent... » Accès libre, sur Gallica, (consulté le ).
  25. Brand, op. cit., p. 37-42
  26. gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k6570847h/f260.image
  27. Brand, p. 59
  28. Brian Bowers, Sir Charles Wheatstone FRS : 1802-1875, IET, (réimpr. 2nd), 235 p. (ISBN 978-0-85296-103-2, books.google.com/books?id=m65tKWiI-MkC&pg=PA208&dq=Wheatstone+spectrum+analysis+metals&lr=&as_brr=3&ei=yqN3StmSN5qGkgTRrpScAQ#v=onepage&q=Wheatstone%20spectrum%20analysis%20metals&f=false), p. 207–208
  29. Regis J Bates, Optical Switching and Networking Handbook, New York, McGraw-Hill, (ISBN 0-07-137356-X), p. 10.
  30. article Sur la lumière colorée des étoiles doubles et de quelques autres astres du ciel[books.google.fr/books?id=C5E5AAAAcAAJ&pg=PA1165&dq=%22Sur+la+lumi%C3%A8re+color%C3%A9e+des+%C3%A9toiles+doubles%22&hl=fr&ei=U6XLTYO7IMeZ8QPgqo2hBA&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=5&ved=0CEcQ6AEwBA#v=onepage&q=%22Sur%20la%20lumi%C3%A8re%20color%C3%A9e%20des%20%C3%A9toiles%20doubles%22&f=false Sur la lumière colorée des étoiles doubles] (Über das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels),
  31. [gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k7356c Gallica : Dissymétrie moléculaire de Louis Pasteur]
  32. gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k561043/f89.image
  33. gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k299085p.r=%22constante+de+Verdet%22.langFR
  34. Robert W. Wood, « A New Departure in Photography », The Century Magazine, The Century Company, vol. 79, no 4,‎ , p. 565–572
  35. Robert W. Wood, « Photography By Invisible Rays », The Photographic Journal, Royal Photographic Society, vol. 50, no 10,‎ , p. 329–338
  36. « Pioneers of Invisible Radiation Photography – Professor Robert Williams Wood » [archive du ] (consulté le )
  37. Léon Brillouin (1914) Diffusion de la lumière par un corps transparent homogène. Comptes Rendus 158, 1331-1334
  38. Léon Brillouin (1922) Diffusion de la lumière et des rayons X par un corps transparent homogène. Influence de l'agitation thermique. Ann. de Phys. (Paris) 17, 88-122
  39. (en) E Rutherford et Andrade ENC, « The Wavelength of the Soft Gamma Rays from Radium B », Philosophical Magazine, vol. 27,‎ , p. 854–868
  40. W. Pauli, « Über den Einfluss der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Elektronenmasse auf den Zeemaneffekt. », Zeitschrift fur Physik, vol. 31,‎ , p. 373
  41. [patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?patentnumber=1918848 Brevet]
  42. (en) Frank Close, Antimatter, Oxford University Press, 50–52 p. (ISBN 978-0-19-955016-6)
  43. General chemistry, Taylor & Francis, (books.google.com/books?id=lF4OAAAAQAAJ&pg=PA660), p. 660.
  44. Eugene Cowan, « The Picture That Was Not Reversed », Engineering & Science, vol. 46, no 2,‎ , p. 6–28
  45. (en) Jagdish Mehra et Helmut Rechenberg, The Historical Development of Quantum Theory, Volume 6 : The Completion of. Quantum Mechanics 1926–1941., Springer, , 504 p. (ISBN 978-0-387-95175-1, books.google.com/?id=9l61Dy9FBfYC&pg=PA804&lpg=PA804&dq=Chung-Yao+Chao+positron&q=Chung-Yao%20Chao%20positron), p. 804
  46. Carl D. Anderson, « The Positive Electron », Physical Review, vol. 43, no 6,‎ , p. 491–494 (DOI 10.1103/PhysRev.43.491, Bibcode 1933PhRv...43..491A)
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  49. [nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/ruska-autobio.html Ernst Ruska Nobel Prize autobiography]
  50. gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k65650011/f212.image
  51. Définition du mètre — Sixième résolution de la 11e Conférence générale des poids et mesures en 1960.
  52. Heinz, T. F. et al., Spectroscopy of Molecular Monolayers by Resonant 2nd-Harmonic Generation, Physical Review Letters 48.7 (1982): 478-81, DOI 10.1103/PhysRevLett.48.478
  53. Définition du mètre — Première résolution de la 17e Conférence générale des poids et mesures en 1983.
  54. T. F. Krauss, R. M. DeLaRue, S. Brand, « Two-dimensional photonic-bandgap structures operating at near-infrared wavelengths », Nature, vol. 383, no 6602,‎ , p. 699–702 (DOI 10.1038/383699a0)
  55. Nanfang Yu, Patrice Genevet, Mikhail Kats, Francesco Aieta, Jean-Philippe Tetienne, Federico Capasso, Zeno Gaburro, « Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction Â», Science, 334, 333, 2011.

Voir aussi

Bibliographie

Articles connexes

Liens externes
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