CHAPITRE PREMIER GÉNÉRALITÉS SUR LA LUMIÈRE ET SUR LE SPECTRE
g 7. — Propagation de la lamière
La lumière qui nous vient du soleil et des étoiles, traverse avant d^arriver à notre œil^ d'immenses espaces considérés comme vides de matière (i). Nous admettrons, en conséquence, que la lumière se passe de support matériel pour se propager. Malgré cela, en dehors de toute matière, la lumière n'a pas d'existence concrète : il n'existe pas de phénomène physique qui puisse se manifester autrement que comme une propriété de la matière. Le soleil éclaire la terre, mais il n'éclaire pas l'espace vide qui les sépare. L'un émet la lumière, l'autre la reçoit. Le soleil est émetteur ou source de lumière, la terre est réceptrice. A ce point de vue, le soleil exerce sur la terre une action à distance et cette action n'est pas instantanée. Il y a un retard sensible entre l'émission et la réception La lumière a, dans le vide, une vitesse de pro^* pagation qui est d'environ 3oo.ooo kilomètres par seconde.
Hypothèses de rémission et des ondulations. — On a longtemps supposé que la lumière était due à la projection par la source, de particules matérielles, dans toutes les directions. Ces particules se déplaçaient en ligne droite avec la vitesse de la lumière ; elles donnaient la sensation de lumière en pénétrant dans l'œil. Cette hypothèse est celle de l'émission. Elle se concilie bien avec l'existence d'une vitesse de propagation. Mais on a substitué à cette théorie celle des ondulations, d'après laquelle la propagation de la lumière serait due aux vibrations d'une matière spéciale échappant à
{l) Cette hypothèse est d*ailleurs peu probable, la matière doit seulement s'y trouver dans un état de raréfaction extrême.
tout contrôle chimique, et créée de toutes pièces pour les besoins de la cause. C'est Téther lumineux des physiciens.
Propriétés attribuées à féther lumineux. — On a accordé à cet éther toutes les propriétés qui lui sont nécessaires pour objectiver les faits qu'il a mission d'expliquer. Il est impondérable et élastique. Il comble le vide des espaces intratomiques. L'univers en est pénétré dans toutes ses parties. Ce sont ses réactions élastiques qui provoquent la propagation de la lumière.
Dans cette hypothèse, l'espace est sillonné d'ondes lumineuses qui se croisent sans se déformer réciproquement Les mouvements vibratoires des particules d'éther se composent géométriquement, suivant la règle simple de la composition des vecteurs.
Ces vibrations sont transversales : elles se produisent dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation.
Aucune matière chimique connue ne peut jouir de propriétés semblables. L'éther, dont les vibrations sont exclusivement transversales, partage ainsi les propriétés d'un solide absolument incompressible. Il n'y a, en effet, que dans un solide incompressible qu'il ne peut exister de vitesse de propagation de vibrations longitudinales, parce que cette vitesse y est nécessairement infinie. Ce solide incompressible doit posséder, en outre, des plans de clivage dans toutes les directions, parce que ce n*est que par des glissements suivant de tels plans qu*un solide peut se déformer sans changer de volume. Les vibrations transversales de Téther se produisent grâce à ces glissements.
Ce sont là des propriétés très singulières qui ne permettent d'assimiler Téther à aucune substance connue, moins encore à un gaz qu'à toute autre substance.
Léther lumineux et les phénomènes électromagnétiques périodiques. — Lorsque Ton veut interpréter les phénomènes électromagnétiques périodiques de la même manière que les phénomènes lumineux avec lesquels ils s'identifient dans les doctrines actuelles, les difficultés auxquelles se heurte Thypothèse de Téther élastique deviennent insurmontables..
INTRODUCTION A L'ÉTUDE DE LA SPEGTROGfllMlE 2S
Dans cet ordre d'idées les théoriciens n'ont pu triompher ni des incohérences; ni des contradictions.
Nous savons seulement de la lumière qu'elle est un phénomène périodique, mathématiquement exprimable par une sinusoïde dont les vecteurs sont normaux à la direction dé propagation.
Les hypothèses successives de la propagation de la lumière par émission et par ondulations ont imposé au langage de Toptique leurs images. Les théories de Télectromagnétisme s'adaptent mal à ces formes de langage. A la conception de l'ancien éther élastique, on substitue dans ces théories nouvelles un milieu diélectrique dont l'état est déterminé en chaque point par la connaissance du champ électrique et du champ magnétique; et où les relations nécessaires entre ces deux champs impliquent une vitesse de propagation des perturbations électromagnétiques égale à celle de la lumière.
Vecteurs électromagnétiques. — Celte nouvelle notion de Télher est entièrement dégagée d'hypothèse inconcevable sur sa nature et sa constitution. Aux vibrations périodiques de particules matérielles problématiques se substituent des variations périodiques de ces vecteurs qui sont les champs électriques et magnétiques (i).
Ces vecteurs sont des êtres purement mathématiques. Le champ électrique ne se manifeste pas, à moins que Ton y. transporte une charge électrique qui repose nécessairement sur un support matériel. Ce support matériel joue alors le rôle d'un récepteur. En dehors des récepteurs, il n'y a pas à proprement parler de phénomènes physiques. Ces récepteurs sont tantôt nos organes de sensation, tantôt les appareils qu'on leur substitue.
On sait qu'un champ magnétique ne peut prendre naissance en un point que sous Tinfluence d'une charge électrique en mouvement.
(i)La valeur du champ électrique en un point est la force qui s'exercerait sur Tunité de charg-e positive placée en ce point.
La valeur du champ magcnétique en un point est la force qui s'exercerait sur Tunilé de pôle N placé en ce point.
La superposition d'un champ électrique et d'un champ magnétique solidaires implique donc le déplacement de charges électriques. Dans cette manière d'envisager les phénomèues lumineux, toute source de lumière serait constituée par des charges électriques en mouvement.
Condition pour qu'une charge en mouvement rayonne de rénerffîe, — En -se tlépia^ant, chaque charge élémentaire est entourée de son champ électrique et d*un champ magnétique dû à son déplacement. Ce dernier est distribué sous forme de lignes de force circulaires normales à la direction de la vitesse. L'ensemble de ces deux champs accompagne la charge, mais il n y a rayonnement d'énergie que si le mouvement de la charge admet une accélération. Dans ce cas seulement, il se propage à distance de Ténergie avec la vitesse de la lumière; et Ténergie transportée ainsi pendant Tunité de temps, est proportionnelle au carré de Taccélération. Tout point de Tespace est alors le siège d'un double champ, électrique et magnétique.
Mouvements périodiques des électrons dans les sources de lumière, — Les charges électriques qui se déplacent d'un mouvement non uniforme dans les sources de lumière sont, dans les théories actuelles, les électrons dont on admet que les atomes matériels sont constitués. Les mouvements des électrons sont nécessairement périodiques, puisque Tun des caractères de la lumière est la périodicité. L'effet de ces mouvements périodiques est de produire dans chaque point de Tespace une variation périodique des vecteurs: champ électrique et champ magnétique. Ces perturbations de l'état diélectrique du milieu, se propagent avec la vitesse de la lumière avec laquelle elles s'identifient.
C*est ainsi que sans hypothèse risquée, la théorie ondulatoire de la lumière se concilie avec les tendances actuelles de la physique (i).
(i) Consulter, pour plus de développemeuts. dans la Revue générale des Sciences^ p. 267 (i9o5) un article intitulé « la Physique des Electrons », où M. Langevin a exposé ses vues personnelles sur cette question dont le paragraphe précédent est un aperçu.
g 8. — LoDgaeur d'onde et temps périodique
Ondes lumineuses et rayons lumineux. — D'après ce qui précède, le siège de la lumière est constamment la matière pondérable^^tlaJumière est due aux mouvements périodiques des électrons qui la constituent. La propagation de la lumière est due aux variations périodiques des vecteurs électromagnétiques du milieu diélectrique universel que Ton appelle Télher. Les ondes et les rayons lumineux n'ont d'existence objective qu'à la faveur de récepteurs matériels. Les électrons de ces récepteurs entrent en vibration. Telle est l'origine dé la lumière dans les idées actuelles.
Nous attribuerons aux expressions d'ondes lumineuses, ou de rayons lumineux, un sens conforme à la théorie précédente, sans nous arrêter à discuter si ces expressions sont bien ou mal choisies.
Sinusoïde représentative. — Cela posé, soit j:y un rayon lumineux. Le long de cette direction de propagation, il existe
une infinité de vecteurs électromagnétiques tels que <x et ^B, les uns positifs, les autres négatifs et passant tous^ dans le même intervalle de temps, par toutes les valeurs variant entre des limites extrêmes égales et de signes contraires. En joignant, à un instant donné, les extrémités de ces vecteurs par un trait continu^ on obtient une sinusoïde.
Des points d'égales ordonnées, tels que A et A' restent séparés constamment par une distance X dite longueur d*onde.
Les vecteurs distants d'une longueur d'onde, croissent^ atteignent leur valeur maxima^ décroissent, et changent de
signe simultanémenl. La distance A qui les sépare, limite deux ondes successives. Ces ondes semblent se donner une chasse inutile, car leur distance demeure invariable. Lorsqu'il semble que Tonde A est arrivée en A' et a parcouru ainsi une longueur d'onde, le vecteur A' a simplement repris sa valeur primitive; il a effectué un cycle complet de variations. Le temps nécessaire à ce retour à une valeur déterminée, est toujours le même, car la vitesse de propagation de Tonde est invariable. On lui a donné le nom de temps périodique ou plus simplement de période.
Relation entre la longueur cTonde^ le temps périodique, et la vitessse de propagation. — Appelons V la vitesse de propagation de Tonde et T le temps périodique. Par définition, y est l'espace parcouru par Tonde pendant Tunité de temps; X est l'espace parcouru par Tonde pendant le temps T. On a
donc :
