CHAPITRE PREMIER

Au milieu de toutes les merveilles qui nous entourent, il n'est point d'agent ou de phénomène plus digne de notre admiration que la lumière. Sans elle, on peut jusqu'à un certain point concevoir l'existence et la reproduction des plantes et de quelques animaux de l'espèce la plus infime ; mais quels seraient le rôle et les conditions de l'homme sur une terre informe et couverte de ténèbres? Sa race misérable se trouverait rapidement anéantie. Si les lois de la gravitation établissent des rapports admirables entre les corps célestes, l'homme à son tour entre en relation avec l'univers par l'intermédiaire de la lumière; d'un côté elle permet à ses regards et aux instruments dus à son génie de plonger dans les profondeurs de l'espace , et de l'autre elle conduit son esprit àla découverte des lois qui régissent les corps célestes, et sur la route de l'infini.

Le soleil et les étoiles sont les sources naturelles et permanentes de la lumière. Celle-ci se développe également par le choc, le frottement et les actions chimiques et électriques ; tous les corps deviennent lumineux à la température de 500 degrés. L'huile, la cire, la graisse et les résines produisent la lumière en se combinant avec l'oxygène de l'air ; la combustion de

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l'hydrogène percarboné la fournit avec abondance. Le sulfate de baryte a reçu le nom d'épongé de lumière; à l'exemple de ce corps, les sulfures de calcium et de strontium, ainsi que le chlorure de calcium, jouissent de la propriété de devenir lumineux pendant un certain temps, après avoir été exposés aux rayons du soleil; en voyant les flammes légères que dégage le phosphore, on croirait qu'il n'est lui-même que de la lumière condensée.

Enfin, nous sommes quelquefois témoins de certains phénomènes lumineux dont nous ignorons encore la nature et les causes : tels sont, la lumière zodiacale dont la lueur brillante éclaire surtout les nuits des tropiques; les aurores polaires qui forment un tableau magique dans les ténèbres des régions boréales et australes; ce brouillard de 1783 qui, en pleine nuit, à l'époque de la nouvelle lune, produisait une clarté asses intense pour éclairer les objets et les rendre visibles à une distance de 200 mètres; ces nuits de 1831 où, dans le nord de l'Allemagne et en Italie, on pouvait lire à minuit les caractères les plus fins ; cette lumière diffuse qui, selon la remarque de M. Àrago, guide nos pas dans les nuits d'automne et du printemps, alors que les nuages interceptent toute clarté céleste, et que la neige ne couvre pas la terre. Il est arrivé fréquemment à Beccaria, dans certaines nuits entièrement obscures, particulièrement en hiver, de voir des nuages épars s'agglomérer pour n'en former qu'un seul d'une densité en général peu considérable ; il répandait alors dans tous les sens une lueur rougeâtre qui permettait à ce savant de lire dans un livre

imprimé en caractères ordinaires. Ces clartés nocturnes se montraient après des averses de neige, et le physicien de Turin les croyait delà nature de la foudre. La plupart des météores lumineux qui se développent dans l'atmosphère proviennent du soleil dont le rayonnement éclaire sans interruption tous les corps placés dans sa sphère d'action. Aussi, en traitant des phénomènes de l'optique, les physiciens font-ils en quelque sorte l'histoire de la lumière émanée de cet astre. L'expérience la plus familière nous apprend que les corps lumineux dardent leurs rayons dans toutes les directions, et que, dans un milieu homogène, la lumière se transmet et se propage en ligne droite. Dans le vide, son intensité est en raison du carré de la distance; mais lorsqu'elle traverse des milieux diaphanes, cette intensité décroît suivant une loi plus rapide. On a imaginé des photomètres plus ou moins ingénieux pour mesurer le rapport d'intensité de deux lumières. Bouguer, Leslie et Wollaston ont comparé les quantités de lumière envoyées par le soleil et la lune ; mais leurs résultats diffèrent essentiellement. Suivant les uns, la clarté de la lune est 300,000 fois plus faible que celle du soleil; d'après les autres, il faudrait 90,000 pleines lunes pour produire sur notre globe une clarté pareille à celle du soleil. On ne connaissait jusqu'ici qu'un seul corps qui fût sensible à la lumière de la lune ; c'est l'œil, dont la pupille se contracte sous l'influence de ses rayons. L'Académie des sciences ayant nommé une commission composée de Laplace, Malus et Arago, pour faire des expériences sur la lumière de notre satellite, ces savants se ser-

virent d'une lentille d'une très grande dimension, et placèrent au foyer du chlorure d'argent ; aucun phénomène de coloration ne se produisit. Il était réservé à une découverte récente, dont il sera question plus loin, de montrer que la lumière de la lune grave l'image de cette planète sur les plaques photographiques.

La lumière se comporte diversement suivant les corps qu'elle rencontre. On suppose qu'elle traverse l'immensité de l'espace (le vide?) sans être arrêtée, ni môme modifiée sur son passage. Il arrive cependant une limite après laquelle l'impulsion primitive n'est plus sensible, et ne détermine ni vibration dans léther, ni impulsion sur la rétine, comme on voit les ondulations circulaires formées par un projectile sur un lac tranquille, s'étendre, diminuer de hauteur et puis disparaître. Quelle ne doit pas être la force de cette impulsion, si, comme Herschell le suppose, la lumière decertaines nébuleuses n'arrive sur la terre qu'au bout de plusieurs millions d'années !

Certains corps parfaitement diaphanes traversés par la lumière laissent voir la forme et la couleur des objets; tels sont le verre, l'eau distillée et surtout l'air atmosphérique, le plus transparent de tous. Les corps diaphanes colorés altèrent la couleur et non la forme des objets, tandis que les corps translucides ne permettent pas de distinguer la forme et livrent passage à la lumière ; tels sont les nuages, certaines étoffes, la verre dépoli, etc. Les corps opaques interceptent toute lumière; la plupart cependant, réduits en lames minces, deviennent translucides, sinon diaphanes.

Quelque rapide que soit la lumière, il résulte toutefois de la différence entre le moment de départ et celui d'arrivée, que nous ne voyons jamais les astres à leur véritable place dans le ciel : «On peut dire, sans trop s'écarter de la vérité , que l'astronome qui regarde le globe d'Uranus, le voit où il était quatre heures auparavant. Si cette planète était anéantie à un instant donné, on la verrait encore pendant quatre heures après quelle aurait cessé d'être. Nous ne savons à quelle distance de la terre sont dispersées les étoiles, mais nous savons avec certitude qu'il n'y a pas un de ces astres qui ne soit au moins à 200,000 fois la distance du soleil à la terre ; par conséquent, pour arrivera nous, leur lumière met au moins 200,000 fois 8' 13", c'est-à-dire 1,141 jours ou 3 ans 45 jours; sans dojite il n'y a pas d'exagération à supposer que nous voyons des étoiles qui sont quelques milliers de fois plus éloignées, et dont la lumière met par conséquent plusieurs siècles à venir jusqu'à nous. Tout ce qui existe dans le ciel, au delà de notre système, pourrait être brisé, confondu, anéanti, et nous, habitants paisibles de la terre, nous passerions encore de nombreuses années à contempler comme aujourd'hui ce grand spectacle d'ordre et de magnificence qui ne serait plus qu'une illusion trompeuse, une image sans réalité.» (Pouillet, Éléments de physique, t. II, p. 148.)

Dans ses Éléments de physique expérimentale , M. Pouillet abordant l'élude de l'optique, distingue les propriétés relatives seulement à la direction des faisceaux lumineux, de celles qui sont inhérentes aux

rayons eux-mêmes, indépendamment de leur direction. Les premières se rapportent à la lumière non polarisée, les secondes à la lumière polarisée. Nous passerons celles-ci sous silence; les phénomènes de la double réfraction et de la polarisation, ainsi que les phénomènes remarquables de coloration de la lumière polarisée par des lames cristallisées, sont du domaine de la physique proprement dite, tandis que la plus grande partie des météores lumineux proviennent de la réflexion, et surtout de la réfraction de la lumière au travers de l'atmosphère et des nuages. Les lois et les conséquences de ces derniers phénomènes ont donc une haute importance pour les météorologistes.

Nous avons indiqué précédemment quelques unes des modifications que la lumière éprouve en passant du vide ou plutôt de l'espace dans notre atmosphère, suivant qu'elle rencontre des corps opaques ou diaphanes. Le rayon lumineux qui tombe sur une surface plane et polie se trouve réfléchi d'après des lois invariables. Il n'entre pas dans le plan de cet ouvrage d'exposer les phénomènes que les substances polies seules et les miroirs parfaits ont la faculté de produire ; nous rappellerons seulement les deux lois fondamentales de la réflexion :

1° La lumière est réfléchie suivant un angle égal à celui d'incidence.

2° Le plan de réflexion coïncide avec le plan d'incidence.

Si, en passant d'un milieu dans un autre, le rayon lumineux tombe perpendiculairement, il suit sa marche sans déviation. Sa direction est-elle plus ou moins i. a

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oblique , il éprouve un changement brusque, se rapproche ou s'éloigne de sa normale à la surface, suivant que le second milieu est plus ou moins dense ; puis il continue son chemin en ligne droite. Cette déviation est le phénomène auquel on donne le nom de réfraction. Ses deux lois fondamentales sont les suivantes ;

i° Le plan de réfraction coïncide avec celui d'incidence.

2° Le sinus d'incidence et le sinus de réfraction sont dans un rapport constant.

Descaries, dont les travaux sur la dioptrique auraient suffi, suivant M. Becquerel, pour rendre le nom immortel, a démontré la constance de cette seconde loj, appelée aussi loi de Descartes. Le rapport est ce que Ton nomme Yindice de réfraction. L'angle do réfraction augmente en proportion de l'angle d'incidence, mais en restant toujours plus petit. La lumière se rapproche de la perpendiculaire, lorsqu'elle passe d'un milieu moins réfringent dans un milieu plus réfringent ; et réciproquement, elle s'en écarte quand le rayon sort d'un corps réfringent pour entrer dans le vide ou dans un milieu qui Test moins. Nous verrons bientôt qu'en traversant un prisme, la lumière est décomposée; elle reproduit alors une image allongée du soleil, et donne au lieu du blanc les sept nuances de l'arc-cn-ciel. Les couleurs sont rangées dans l'ordre suivant : ronge, orangé , jaune , vert, bleu, indigo, Vîp/et. Le ffiyon rouge est le moins dévié, et forme, en sortant du prisme, l'angle le moins considérable avec le rayon incident. Celle déviation va augmentant, dans

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Tordre des rayons Jusqu'au violet, qui par conséquent est le plus réfrangible. Le phénomène de l'achromatisme démontre, toutefois, que les rapports de réfrangibilité des différents rayons ne sont pas les mêmes pour tous les corps.

Quelque ténue que soit la lumière, quelque subtils que soient ses rayons, le génie des physiciens Ta décomposée, Ta analysée. La théorie des couleurs du grand Newton a survécu à la ruine d'une grande partie de son optique. On nomme ces couleurs simples ou primitives, parce que jusqu'ici, tout en variant les expériences à l'infini, aucun physicien n'est parvenu à transformer chacune d'elles en une autre couleur, ou même simplement à les modifier. Vient-on à réunir les sept couleurs élémentaires en un même point, soit à l'aide d'un miroir concave, soit avec une grosse lentille , la lumière blanche du rayon primitif se trouve reproduite. Elle est également obtenue en faisant mou* voir rapidement un écran, placé au foyer d'une lentille, sur lequel se projette le spectre solaire. Si, dans les expériences précédentes une seule couleur manque, ou si elles ne so rencontrent pas toutes au même foyer, elles continuent librement leur marche, chacune conservant sa nuance distincte et ses propriétés caractéristiques. Newton fit un grand nombre d'essais, toujours infructueux, pour former une couleur blanche à l'aide de poudres colorées, et ne put obtenir que des teintes grisâtres. 11 donna le nom de spectre solaire à l'image colorée que forme un rayon en traversant le prisme*

Il n'est pas permis de douter que la théorie des

couleurs ne fût connue, en partie du moins, dès la plus haute antiquité Les brahmes enseignaient que le soleil a sept rayons primitifs. On lit dans une fable indienne, que sept jeunes vierges s'étant rassemblées pour célébrer la venue de Crishna, le dieu leur apparut tout à coup, et leur proposa de danser. Les jeunes filles s'étant excusées sur ce qu'elles manquaient de danseurs, le dieu se divisa lui-même, et chaque fille eut son Crishna. « Après que les dieux se furent distribué la terre, dit Pindare, le Soleil, oublié dans le partage, retint pour lui l'île de Rhodes qui venait de sortir du sein des flots. 11 eut de la nymphe qui donna son nom à l'île sept fils d'un esprit merveilleux. » Les figures anciennes représentent Apollon avec un diadème à sept pointes (de Monlfaucon, Antiquité expliquée). Enfin, dans son cinquième discours, Julien appelle le Soleil, le dieu aux sept rayons; et c'est aux Chaldéens qu'il rapporte avoir emprunté cette expression remarquable.

Les diverses couleurs du spectre ont des propriétés spéciales. Newton et Herschell découvrirent que le maximum de lumière se trouve aux rayons jaune et vert, et qu'elle diminue jusqu'au rouge et au violet. En exposant à leur action un thermomètre noirci, Leslie, Landriale et Rochou reconnurent que le rayon rouge est celui qui échauffe le plus ; la puissance calorifique décroît jusqu'au rayon violet, qui n'échauffe pas. Herschell alla plus loin : il constata que le maximum de chaleur se trouve dans la bande obscure qui suit le rayon rouge. Il y a donc là des rayons invisibles produisant des effets calorifiques. Toutefois,

en 1828, Seebeck découvrit que le maximum de chaleur dépend de la nalure du prisme réfringent, et se trouve dans le jaune, l'orangé, le rouge ou même au delà, suivant qu'on emploie des prismes d'eau, d'acide sulfurique, de verre ou de flint-glass.

Enfin on a reconnu à la lumière, ou du moins à certains rayons appelés chimiques, une action puissante sur des substances inorganiques. Ainsi Schèele découvrit que le rayon violet, doué de si faibles propriétés calorifiques, noircit promptement le chlorure d'argent. En 1802, Wollaslon et Rilter trouvèrent, chacun de leur côté, que ces altérations se produisent plus rapidement encore dans la bande obscure qui suit le rayon violet. Pour démontrer la différence d'action des rayons rouges et violets, Bérard les concentra au moyen de deux fortes lentilles. Du chlorure d'argent, placé au foyer des rayons violets, fut coloré en moins de cinq minutes ; exposé pendant deux heures au foyer des rayons rouges, il ne subit aucune altération.

Il a régné en physique deux systèmes sur la nalure de la lumière. Dans l'un, celui de Newton, connu sous le nom de système de l'émission, on considère la lumière comme étant composée de particules d'une ténuité extrême, émanées de la substance même du soleil et des étoiles, sans que cette émission les épuise ou les affaiblisse sensiblement. Pendant plus d'un siècle, ce système fut presque généralement adopté. Il est exposé de la manière la plus complète, et soutenu avec une grande puissance de raisonnement, dans le Traité de physique de M. Biot, qui explique, à l'aide de ce système, les phénomènes de la réflexion et de la

réfraction, Pombre géométrique , la pénombre, ainsi que le décroissement de l'intensité de la lumière.

Le second système, celui de Descartes, est connu sous le nom de système des ondulations ou des vibrations. Dès 1518, Grimaldi l'avait entrevu, cherchant même à expliquer les phénomènes de l'optique au moyen des ondes. Suivant Descartes, la lumière est produite par un mouvement vibratoire des molécules du corps lumineux; ces molécules impriment en tous sens une impulsion aux globules d'un fluide subtil répandu dans l'univers entier. Huygens posa avec génie les principes mathématiques du système des ondulations. Mais tout en admettant que la lumière est due aux vibrations de l'élher, il reste à découvrir la force même qui la produit, et la projette dans les champs de l'espace à des distances incalculables.

Peu suivi d'abord, à cause de l'autorité du nom de Newton, ce système a fini par remplacer presque complètement celui de l'émission. Un tel résultat est dû aux travaux du docteur Thomas Young, qui a découvert le principe des interférences, ou l'action mutuelle que deux rayons de lumière exercent l'un sur l'autre, et particulièrement à ceux de Fresnel, dont les belles expériences sur l'aberration de la lumière ont rallié presque tous les physiciens de notre époque au système des ondulations; car, dans l'hypothèse de rémission, on ne parvient à expliquer aucune circonstance des phénomènes de la diffraction.

Les partisans de la théorie des ondes admettent que la lumière a une existence indépendante des corps dont elle paraît émaner. Elle est duo aux vibrations

d'un fluide très élastique, dune ténuité extrême, uniformément répandu dans l'espace, et qui n'est pas visible dans son état de repos. Certains corps ont la faculté de le mettre en mouvement, et de ces vibrations résultent tous les phénomènes lumineux. Celte substance n'est pas plus la lumière que l'air en repos n est le son ; le corps incandescent se trouve dans le même état qu'une cloche qui vibre.

M. Cauchy publia, en 1829, plusieurs mémoires sur la lumière; il prit pour base de ses recherches les principes mêmes de la mécanique rationnelle, et transforma le système des ondulations en une théorie mathématique. Il parvint à déduire de ses formules, non seulement les vibrations transversales de l'éther admises par Fresnel, et la polarisation dans les cristaux à un axe optique ; mais encore les lois générales de la polarisation produite par un cristal quelconque, le phénomène des ondes, la force connue de leur surface, les lois de la dispersion des couleurs et celles de la diffraction, enfin les propriétés des rayons évanescentsqui, en pénétrant dans les corps opaques, s'éteignent graduellement et de telle sorte que l'intensité de la lumière décroît en progression géométrique pour des profondeurs croissant en progression arithmétique.