CHAPITRE II

DES DIVERSES THÉORIES DE LA UJMlàRE. — SYSTÈME DE L'ÉMISSION.

La lumière est le mouvement d'une certaine substance : toutes les écoles sont aujourd'hui d'accord sur ce principe fondamental; mais voici le point à discuter : le mouvement est-il une translation de parcelles excessivement ténues qui, lancées par le corps éclairant, traversent l'espace avec une très-grande vitesse,arrivenià l'œil et produisent la sensation lumineuse ; ou bien, consiste-t-il en la vibration d'un milieu répandu partout, nommé éther, dont les ondulations sont capables d'impressionner la rétine? La première opinion a été défendue par Newton, la seconde par Huyghens; cette dernière est généralement adoptée aujourd'hui.

Grimaldi, le premier, a dit clairement que la lumière était probablement un fluide en mouvement dans les milieux diaphanes, se propageant sous formes d'ondes au moins dans ces mêmes milieux. A l'appui de cette doctrine il fournit un grand nombre de preuves, entre autres ses expériences sur les franges par diffraction, et la découverte

lui furent présentés pour la première fois, et, après les avoir touchés, fut lui-même très-étonné de ne pas les avoir reconnus.

17a DE U LUNlëRE.

fameuse de ce fait, que, la lumière ajoutée à la lumière produit l'obscurité'; phénomènes dont une explication sttisfaisante ne peut être donnée en dehors de la théorie des ondulations. U rapproche les phénomènes dont nous parlons de ceux que chacun de nous a pu observer lorsque les ondes, développées à la surface d'une eau tranquille, viennent à se rencontrer; on voit alors si, dans les parties qui se superposent, les mouvements Font de signes dirrérents, l'esu rester immobile.

Les expériences <le Grimaldi sont d'une importance capitale; de plus, elles peuvent être répétées avec uii« très-grande Tacilité; aussi les rappellerons- nous f^uccinclement. 1° On fait pénétrer dans une chambre obscUiC un rayon de lumiérelrès-dèliépar un orifice excessivement étroit, percé avec une épingle dans une petite plaque métallique; on obtient alors un cône lumineux nu peu plui divergent qu'il le serait si les rayons conservaient rîgoi^ reusement leur direction géonjétrique, et celte augmentation de divei^ence devient plus sensible lorsqu'on place une seconde plaque percée d'un orifice étroit & une certaine distance de la première sur le trtùet de la lumière; alors les arêtes du second cône obtenu ne sont point parallèles à celles du premier, mais elles sont encore plus éloignées de l'axe ; d'où l'on conclut que les rayons lumineux, en rasant les bords des orifices à petits diamètres

' L'ouvrage de Grimaldi est connu seulnnent par les deux pnmières propositions, relatives aux célèbres expériences dtHit dous parlons ici. Hais on ; trouve une infinité de théories physiques dps plus justes, qui, de son temps, étalent cumplèteineni r^etëes par le> diverses écoles. On voit la porosité citée comme propriété gÀiértle de la matière, l'action du magnétisme considérée comme {««iive de l'existence d'un milieu universel, la rétraclion prismatique et la marche des rayons décomposés pur Ira gouttes d'eau L'ludié«s avec une eiactilude surprenante. Le livre Tut publié un grand nombre d'années avant ^ewlon, de tetlesortequo ce dernier put en tirer profil pour ses belles découvertes, (Grimaldi, Phyàco-mathau de htmâe eoloribn* et inûe. Opus posthumum. Bologne, 1065, prop. 1, % 4S.]

EÏPÉHIE^CES DE GRIMALtir. 177

se dévient de la ligne droite. 2" Si l'on place un fil Irèsmince dans le cène lumineuï sortant d'une étroite ouverture, et que l'on reçoive l'ombre de ce fil sur un papier blanc placé à une distance convenable, les c6tés de l'ombre se trouvent bordés par trois franges colorées dont la largeur décroit à mesure qu'elles s'éloignent des bords, et de plus dans l'intérieur de l'ombre, on voit une ou plusieurs raies lumineuses. On obtient les mâines résultats (fig. H) en

interceptant la moitié du cône luiuineuï à l'aide d'un écran opaque à bord mince, DC, tandis que l'autre va se projeter sur un écran, A B, qui, sur la figure, est représenté de face en ab. 5° L'expérience devient trés-élégante en plaçant dans le cine lumineux une aiguille à coudre, on voit l'image du chas élre obscure au centre et lumineuse sur ses contours, la pointe de son côté parait grossie. Tous les corps opaques placés dans ce cdiie lumineux projettent une ombre garnie de frangea à l'extérieur et éclairée à l'intérieur avec une intensité rapidement décroissante. Donc il se produil une véritable inflexion de la lumière, ou, adoptant l'expression consacrée, une diffraction; en d'autres termes, loules les fois que les rayons rasent les bords d'un corps solide, ils sont déviés vers l'intérieur de l'ombre du corps. Sur le Injet du c6ne lucnineut des expériences précédentes,

ns pi; i.\ imiiÈBF.,

mettons une pkquepercéed'un orifice trËs-lÎD, et examinons le contour du faisceau tiansmis, en le recevant sur un papier blanc convenablement éloigné; nous verrons un cercle blanc entouré d'un aimeau obscur, puis un autre anneau blanc suivi d'un troisième obscur, au delà duquel se dislinguc encore un quatrième rercle Irès-faiblcmenl édairê; en

outre, le premier anneau blanc est beaucoup plus brillant que le cercle central-, si alors dansia plaque de métal mte^ posée, nous perçons un second oririce à côté du premier h une distance de 1 à 2 millimétrés, les images des faisceaux transmis étant reçues sur un écran à une distance telle que les deux cercles extérieurs brillants se superposent partiellement, le serment lenticulaire commun aai deux cercles est plussombre, présente un éclat de beaucoup inlérieur à celui des parties où les di'ux cercles sont séparés; ainsi la lumière du premier segment, ajoutée â r«lledu second, a produit de l'obscurité'.

< La dislance de l'ouverture du volet à la première lame peal !trf înTÏnm 3 mètres, et eette long-ueur mesurera encore à peu prfc l'écarlemnnt de la plaigue el de l'écrun, pour des orillces ayant moint de 1 millimètre de diamètre el placés à 3 inillimélree l'un de l'autre. Il est, du reste, facile de trouver par tfttonnemeiil les distaoces convenables. Ii'eipdrlence que noue cilons est gËnèrsIement sfseï mil décrite dans lei iratlèa de fdijrsique Ajoutons que a

COMPARAISON DES DEUX THÉORIES DE LA LUHIÉRE. 119 Les <d»erTatioiiB de Grimaldi sur les franges furent accueillies avec faveur par Newton, et il est étonnant que Haygbens n'ait point tiré profit d'expériences aussi faTorablés àsalbéoriedes ondulations. Newton, au lien de rapporter ces déviations lumineuses à un mouvement vibra- Uére (cependant il admet la possibilité de la chose dans les oières quesliotis de son Uptique), en donna une eiplib fondée sur l'existence de prèlendues forces atlracjàfittanèes des bords des objets et agissant à distance. k)rie newlonnienne se présentait avec tous les de- } la siinpiicitë, de plus elle était patronnée par un EA'nom ; aussi eut-elle lout d'abord de nombreux par- ;.\aminëe i fond, elle ne se montra pas aussi iple qu'on pouvait le croire à première vue. Les per- Ibnnes désireuses aujourd'hui de renouveler cette doctrine, ne nous paraissent pas avoir fait celte observation. Nous croyons donc utile d'examiner ce système avec un peu de soin. Nous établirons le parallèle entre les deux théories, et noua montrerons que toutes les forces imaginées par Newlon, afin d'expliquer les phénomènes, se rédubeni, en réalité à de simples modificalions du mouvement ondulatoire ; en outre, nous tirerons de celte comparaison des notions qui nous seront d'un grand secours, lorsque nous traiterons des cas analogues en divers autres points de noire sujet. Noire conduite n'est pas dictée par le désir de faire une critique aujourd'hui inutile des idées ' anciennes, mais nous voulons montrer qu'en optique, de même que cela arriva fréquemment dans l'étude de la philosophie naturelle, on imagina d'abord des forces spéciales pour expliquer les pbénomènes, puis les faits furent mieux connus dans leur es-

prodtiire les pbiuomènee de dittrtclion, on fiit arriver la lumière Don plus par un orifice circulaire d'un très-petit diamètre, mais par une teate étroite munie d'une lentille i court toyer. (Voyes Bgurail.)

sence, et finalement on reconnut qu'ils se déduisaient trèssimplement des lois mécaniques du mouvement.

l"" Pour rendre compte de la propagation de la lumière on supposa Fespace rempli par une infinité de corpuscules lancés avec une vitesse de 300,000 kilomètres, et, chose plus étonnante, on accepta que les particules lumineuses étaient projetées avec la même vitesse par les corps portés au plus haut degré de l'incandescence» les astres, par exemple, et par ceux doués comme les vers luisants, du plus faible pouvoir éclairant. Une telle hypothèse nous paraît inadmissible, caria violence de Timpulsion doit être proportionnelle à l'intensité du mouvement dont les corps sont animés, et on ne peut la supposer égale dans tous. Cette difficulté disparait dans la théorie des ondulations. En effet, la propagation de la lumière étant semblable à celle du son dans Tair, la vitesse dépend uniquement de Télasticité du milieu, et n'a aucun rapport avec l'intensité de la vibration, celle-ci étant déterminée par l'amplitude plus ou moins grande des oscillaticms de la molécule vibrante et par suite des particules du milieu ambiant. Donc, dans la seconde hypothèse, la lumière, qu'elle provienne d'une source intense ou faible, dmt se propager avec une égale vitesse, de même que cela se présente pour les sons forts ou faibles, aigus ou graves.

2^ Voulant expliquer la réflexion, Newton admit des forces répulsives particulières qui, émanant des molécules placées à la surface des corps, repoussaient les particules lumineuses avant qu'elles fussent arrivées réellement au contact des corps. De cette façon, la réflexion était possible malgré les aspérités de la surface; et cependant, entre les particules lumineuses et ces aspérités, il existe une plus grande disproportion que celle dont on pourrait se faire idée en supposant les plus hautes montagnes frappées par des billes de billard.

Le subtil philosophe comprit combien dans son syslèiae

COMPARAISON DES DSUI THtORIES DE U LUMIÈRE. 181

était impossible une explication de la réflexion fondée

entièrement sur les principes de la mécanique, et il tourna

la difficulté en admettant certaines forces répulsives dont

il lui était impossible d'assigner la nature. Ces forces sont

bien différentes de celles désignées sous le même nom

dans le chapitre précédent, lesquelles résultant de Tagita-

Ikm extrême des molécules de la surface, loin de favoriser

la réflexion, ne peuvent que contribuer à la rendre plus

irrégulière.

Dans le système des ondulations, il n'est pas nécessaire

de faire intervoûr de semblables forces; car la lumière

devant se réfléchir de même que le son, il suffit de savoir

A les ondes lumineuses sont d'une longueur suffisante pour

pouvoir se réfléchir régulièrement à la surface des miroirs

malgré les aspérités de ces derniers. Or, la longueur de

l'onde jaune a été trouvée 5 à 6 fois plus grande (pie Tépais-

seur d'une feuille d'or battu : elle est donc plus longue que

les rugosités de la superficie des corps polis ; ajoutons que

Faraday, par des procédés chimiques, a obtenu des feuilles

d'or ayant une épaisseur égale k -rj: de la longueur de

l'onde jaune ^

3® La théorie de rémission rencontra un écueil sérieux lorsqu'il lui fallut donner l'explication de la réfraction. A c^ effet, Newton imagina que la lumière dans Tintérieur du corps était attirée avec une force prodigieuse dont l'intensité devait être mille billions de fois plus forte que celle de la pesanteur'; cette attraction déviait le rayon de la ligne droite, le pliait en quelque sorte et en même temps elle devait augmenter la vitesse de propagation dans Tintérieur des substances les plus réfringentes. La confirmation de cette vue théorique dépendait donc de la déter-

< Faraday, Philos, transact., 1857, p. I, p. 145. * Newton, Optique, édit. de Londres, 1706, p. 321. Le nombre pttt 1,000,000,000,000,000.

iSi DE LA LmiRE.

minatiou de la vitesse de la ïamiére dans les différents milieux. Les expériences faites longtemps après par Arago et Fresnel ont montre que la Titesse de la lumière est moindre dans les corps très-réfringents et très-denses que dans les autres ; ces résultats étant contraires à ceux indiqués par la théorie de Newton, celle-ci déviant inadmissible. Aq cohtraire, une moindre vitesse de propagation dans les milieux les plus denses, teUe est la base sur laquelle est fondée Texplication de la réfraction dans le système de Hu;ghens ; et le fait ayant été trouvé exact par l'expérience, la théorie des ondes trouve ici une preore solide en sa faveur.

4® Nevrton rendit compte des phénomènes de diffiiotion observés par Grimaldi en invoquant des forces r^l- Mves spéciales ; et même, dans ce cas, il accorda à ces forces la faculté d'exercer leur action à une certaine distance des corps, et avec une espèce d'alternative rfaytbmée ^ Cette hypothèse était nécessaire pour exjdiquer comment les franges pouvaient exister au nombre de trois et se développer en dehors des corps, avec la loi d*alte^ nance que nous avons signalée. 11 admit de semblables oscillations sous le nom d'accès de facile réflexion et de fodle transmission, pour établir la théorie des couleurs présentées par les lames minces, et il était assez disposé à attribuer ces accès aux vibrations calorifiques des ccNrps'.

On ne peut se lasser d*adrairer la fécondité d'imagination déployée par Newton dans la création des hypothèses destinées à expliquer cette masse énorme de faits, qui, grâce aux travaux des géomètres modernes, se déduisent avec une merveilleuse facilité du système des ondulations. Assurément, on peut dire à ce sujet : Si Pergama dexim

* Les rayons qui passent le long d'un corps ne s'infléchissentHlspoç plusieurs fois en divers sens par un mouTement semblable à celui d'une anguille? [Newton, Optique, question ni.) {Note tlu tratiurteHr.

* IbUt., question xxi.

DES DIVERSES THtoRIES DE U LUMIÈRE. 185

defendipossent.., kac defensa fuissent, et ceux qui de nos jours songent à ressusciter la théorie de rémission dénient au moins, à l'exemple du grand philosophe anglais, se préoccuper de satisfaire à toutes les exigences des phénomènes de l'optique moderne.

5® Hais la sagacité du savant physicien fait un dernier effort lorsqu'il tâche d'expliquer comment un rayon lumineux tantôt se dédouble, tantôt reste simple en traversant on cristal de spath d Islande, posé en travers sur un autre de même substance. A cette fin, il suppose : 1® les rayons limités par de véritables faces; 2" les molécules lumineuses douées de pôles semblables à ceux des aiguilles aimantées, et qui tantôt favorisent leur passage à travers les pores des substances, d'autres fois, au contraire, s y opposent. Chose singulière, cette hypothèse renfermait en germe une notion admise encore maintenant dans la théorie des ondulations. Toujours est-il qu'elle ne pouvait expliquer clairement la double réfraction, si ce n'est en supposant, sans la prouver, dans les rayons, une propriété essentielle d'une nature parfaitement inconnue. Au contraire, Huyghens, en considérant l'onde comme se dédoublant dans l'intérieur du cristal en une onde sphérique et une autre ellipsoïdale, donnait de tous les phénomènes une raison parfaitement géométrique. Il ignorait cependant la véritable cause de ce dédoublement, et Newton se fondait sur Tincertitude du principe fondamental pour repousser les explications du savant hollandais; mais la solution de celte difficulté dépassait les connaissances mécaniques de l'époque, et nous verrons plus tard comment elle a été trouvée. 11 est singulier qu'un géomètre aussi profond que Newton n'ait pas été convaincu par l'analyse élégante de Huyghens, et qu'il ait pu se borner à admettre les rayons doués naturel" lement de la double réfrangibilité^

* Optique, question xvii, p. 299. Les belles découvertes d'Uuyghens en optique contrastent avec les opinions beaucoup moins exactes qu'il

i84 DU CALORIQUE.

Newton adressait deux objections principales au système des ondes : 1"^ il disait que les ondes devaient se répandre dans tous les sens, contourner les corps opaques, et dès lors il ne devrait pas y avoir d'ombre sur les contours des corps de cette espèce; 2® il rejetait l'existence d'un milieu occupant tout Tunivers, car ce milieu opposerait une résistance au mouvement des planètes. Mais cette seconde objection pouvait être retournée contre hii, car on pouvait lui répondre que, d'après son hypothèse, les espaces célestes ne devaient pas être vides, étant traversés incessamment par une quantité innombrable de molécules émanées de toutes les sources lumineuses qui rayonnent les unes vers les autres.

Quant à l'autre objection, on voit que Newton ne tenait aucun compte du principe fondamental sur lequel se fondait Huyghens pour résoudre le problème et prouver que la lumière ne doit point contourner les obstacles, principe dont nous parlerons bientôt; cependant Huyghens lui-même assurait qu'il s'était décidé à admettre le système des ondes seulement après avoir établi ce théorème. Du reste, toute difficulté disparaît en examinant les analogies qui nous sont offertes par l'acoustique; on a reconnu en e^et la formation de véritables ondes sonores; et d'ailleurs les franges de Grimaldi ne démontraient-elles pas un infléchissement des rayons autour des corps opaques?

L'Optique de Newton est assurément un monument impérissable de son immense génie, mais il est permis de comparer cette œuvre à une machine qui ne fonctionne bien qu'entre les mains de son inventeur. L'arc d'Ulysse ne pouvait, dit la fable, être bandé que parle héros; de même, pour la théorie matérielle de la lumière, le grand Newton était le seul mathématicien assez puissant pour adapter sa théorie aux divers phénomènes à l'aide d'Iiy-

professait au siget de la gravitation. Tant il est vrai que nom omnia poumtum omnes.

pothëses ingénieuses. Le grand nombre de forces particulières nécessaires pour expliquer chacune des nouvelles découvertes, voilà le côté faible du système ; aussi les inconvénients grandissant à mesure que les observations se multipliaient et que les phénomènes devenaient plus compliqués, les plus chauds partisans se déclarèrent vaincus lorsqu'il leur fallut aborder la théorie de la polarisation et de la double réfraction, et ils furent contraints d'adopter Thypothèse des ondulations^ qui, seule, permet de ramener tous les faits connus à des lois simples bien supérieures aux notions incomplètes fournies par la doctrine de rémission^.

Laissons donc de côté la théorie newtonienne et cherchons à faire comprendre le système des ondulations, en nous occupant spécialeipent des points utiles à notre sujet et renvoyant aux traités spéciaux pour la démonstration d'un grand nombre de théorèmes.