L'OPTIQUE

Nous allons examiner rapidement quelques-un& des travaux les plus importants se rapportant aux diverses parties de la Physique et de la Chimie. Commençons par Toptique et rélectricité, où des découvertes inattendues sont venues, dans ces derniers temps, frapper l'attention des personnes les plus étrangères aux progrès des sciences. Nous plaçant ici à un point de vue général, nous ne pouvons songer à entrer dans les détails et nous devons surtout insister sur les idées générales concernant la philosophie naturelle, auxquelles conduit l'ensemble des faits observés.

L'optique etrélectricité sont la physique dei'éther. On sait que les physiciens considèrent la lumière comme un ébranlement périodique d'un milieu élastique, Téther, qui remplit l'espace et pénètre les corps /Cette image d'un milieu rentrant dans la catégorie des masses cachées, dont nous parlions avec Helmholtz et Hertz, rend bien compte de la grande majorité des phénomènes observés, et si, en quelques points, des difQcultés subsistent, l'ensemble de la théorie élastique n'en forme pas moins un admirable monument. La lumière visible correspond à des vibrations dont le nombre varie, quand on passe de rinfra-rouge au violet extrême, entre quatre cents et huit cents trillions par seconde; la longueur d'onde d'une radiation déterminée la définissant complètement et demeurant en général identique à ellemême, on a tout ;[iaturellement pensé à en faire un étalon de longueur. Son seul inconvénient est son extrême petitesse, et il a fallu une grande ingéniosité, pour évaluer le mètre en longueur d'onde, à M. Michelson qui a effectué ce beau travail au Bureau international des poids et mesures, et a exprimé le mètre en fonction de la longueur d'onde de la raie rouge du spectre du cadmium.

On a été longtemps avant de produire des ondes lumineuses stationnaires analogues à celles que présentent, par exemple, en acoustique, les tuyaux sonores; c'est en cherchant la solution de ce problème que M. Lippmann a pu effectuer la photographie des couleurs. Dans un ordre d'idées plus théorique, la même question a permis à M. Wiener

de montrer que, dans un rayon polarisé, la direction des vibrations lumineuses est perpendiculaire au plan de polarisation, si toutefois on admet, comme Ta fait remarquer M. Poincaré, que Timpression photographique résulte de la force vive du mouvement vibratoire de Téther, en se laissant guider par l'analogie avec Tacoustique. L'éther, qui remplit le vide, pénètre aussi Fintérieur des corps, et ce n'est pas une des moindres difficultés de la théorie que de se rendre compte des propriétés de ce milieu élastique à travers lequel se meuvent les corps célestes» L'étude des phénomènes optiques dans les corps en mouvement a fait Tobjet de recherches délicates qui ne sont pas définitives. Dans cet ordre de questions, le premier phénomène est celui que les astronomes appellent Taberration de la lumière, et d'après lequel, par suite du mouvement de la Terre, une étoile n'est pas vue dans sa véritable direction, mais suivant une direction inclinée sur celle-ci dans le sens du mouvement terrestre. Pour expliquer l'aberration de la lumière, il faut supposer qu'il y a un entraînement partiel de l'éther par la matière. Les vues théoriques de Fresnel, à ce sujet, ont été confirmées par une expérience mémorable de Fizeau, reprise avec succès en Amérique, expérience dans laquelle on mesure la différence de phase qu'ont acquise deux rayons lumineux à la sortie de deux tubes parallèles qu'ils ont parcourus à la fois dans le même sens, tandis que deux courants d'eau rapides parcouraient les tubes dans des sens opposés. On a cherché si le mouvement de translation de la

Terre pouvait être mis en évidence au moyen de phénomènes optiques réalisés à la surface terrestre; les résultats ont été négatifs. Dans toutes ces expériences, les termes de Tordre du carré de Taberration étaient négligeables et la théorie en rend bien compte à ce degré d'approximation. Il y a cependant une expérience récente de M. Michelson, dont le résultat aussi a été négatif, et où les termes de Tordre du carré de Taberration sont sensibles : c'est une expérience d'interférence de deux rayons lumineux qui se sont propagés à angle droit. Cette expérience joue un rôle important dans Thistoire du principe de relativité dont nous dirons un mot plus loin.

Il n'est pas facile de se rendre compte de la nature de Téther, en cherchant à faire des comparaisons avec les milieux qui nous sont familiers* Plusieurs pensent que c'est là un effort inutile, qu^il est même puéril d*expliquer le simple par le composé, et que cest V inverse qu'il faut faire j c'est-à-dire expliquer la matière par Véther, Il y a cependant encore des mécaniciens, tout à fait classiques, aimant pardessus tout les représentations cinématiques et cherchant dans le visible une représentation de Tinvisible. De ce nombre est M. Boussinesq, dont les beaux travaux sur la mécanique des fluides et sur l'élasticité ont rendu le nom illustre; il aime à rattacher les théories qu'il développe sur Téther à des expériences hydrodynamiques, comme celles de Du Buat, sur la résistance opposée par l'eau au mouvement d'un pendule. L'éther paraît, à première vue,

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jouir de propriétés contradictoires, puisque, comm« un fluide de densité très faible, il n'oppose qu'une résistance insensible au mouyement des planètes, tandis que d'autre part il transmet, comme un solide, des vibrations transversales. M. Boussinesq tente d'expliquer ces contradictions par la lenteur relative du mouvement des corps célestes, permettant à i'éther de conserver sa parité de constitution en tous sens et par suite les propriétés des fluides, tandis que la fluidité s'efface pour faire place à l'élasticité devant l'excessive vitesse des vibrations lumineuses* Quant à la densité de I'éther, elle ne peut être qu'extrêmement faible, et on doit le regarder comme impondérable j c'est-à-dire de gravité nulle. Ceci veut dire que les molécules d'éther sont simplement sensibles aux actions des molécules (de matière ou d'éther) extrêmement voisines, mais que le coeffi-^ cient d'attraction newtonienne est nul pour elles. Au sujet de la constance de ce coefficient d'attrac* tion pour tous les corps de notre système solaire et même stellaire, M. Boussinesq a émis une idée curieuse : ce serait une sélection inévitable, qui n'aurait maintenu dans le système et laissé participer à ses mouvements, à l'époque où il était une nébuleuse très diluée soustraite par sa raréfaction aux actions moléculaires, que des substances gravitant également (c'est-à-dire avec même coefficient d'attraction), à l'exception toutefois des matières de gravité nulle, comme I'éther, qui sont restées répandues dans tout l'espace. Dans d'autres systèmes fitellaires, ceux des nébuleuses non résolubles dont

nous pariions plus haut, il se peut que le coefficient d'attraction soit différent.

Mais revenons à Toptique proprement dite. L'optique classique des radiations lumineuses a fait, depuis yingt ans, des progrès importants. Les pro^ cédés d'observation ont acquis une précision merveilleuse. Il est maintes fois arrivé à l'homme de génie de faire les plus fécondes découvertes avec les plus petits moyens ; on le verra sans doute encore, mais cependant dans les parties de la science déjà beaucoup élaborées, la perfection des procédés d'observation jouera désormais un rôle de plus en plus considérable. En spectroscopie, par exemple, l'âge héroïque de Kirchhoff et Bunsen est déjà loin; il faut avoir recours aux réseaux de diffraction et aux spectroscopes à échelons pour séparer les composantes très rapprochées d'une raie multiple. C'est ce qui fait qu'aujourd'hui la science coûte souvent très cher.

Une question extrêmement importante est celle de la structure des spectres. On est arrivé à résoudre des spectres de bandes lumineux en plus de quatre mille raies, constituant un ensemble de vibrations simples, simultanées et dues à une même cause. Il a été possible de démêler dans la disposition de cet ensemble des lois arithmétiques simples, et donner des formules dépendant des carrés de plusieurs entiers arbitraires. De telles recherches ont un intérêt de premier ordre; les théories sur la matière devront rendre compte de ces décompositions d'un type si différent de celui auquel nous ont

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habitués d'autres phénomènes, comme les harmoniques d'un tuyau sonore ou d'une membrane vibrante. Les théories élastiques ne paraissent pas capables d'en donner l'explication; peut-être les théories électriques dont nous parlerons tout à l'heure seront-elles plus heureuses.

Une raie du spectre est caractérisée par sa longueur d*onde dans le vide. Existe-t-il des circonstances qui puissent modifier cette longueur d'onde et, par suite, la durée de la vibration? On obtient une modification apparente de la longueur d'onde dans ce que l'on appelle l'effet Dôppler-Fizeau ; il consiste dans un changement de longueur d'onde observé lorsque la distance de la source à l'observateur change rapidement. Dans le cas des ondes sonores, cet effet est facile à constater, le sifflet d'une locomotive nous paraissant rendre un son plus aigu quand on s'en approche, et plus grave quand on s'en éloigne. Dans le cas des ondes lumineuses, on a au spectroscope un déplacement de raie par rapport à une source fixe pour l'observateur; les observations faites en astronomie sur les spectres des astres ont permis d'utiliser le principe précédent. On a pu ainsi obtenir les composantes de la vitesse de certains astres dans la direction du rayon visuel; ainsi se trouve décelé le mouvement de Fastre suivant la troisième dimension de l'espace, qui avait jusqu'ici échappé à toute mesure. Il ne s'agit, d'ailleurs, dans tout ceci, que d'un changement apparent dans la longueur d'onde ; en parlant plus loin de la belle découverte faite par M. Zee-

mann^ nous aurons un exemple d'un changement réel.

L'éther transmet autre chose que La lumière. Au commencement du siècle dernier on découvrait les rayons calorifiques ultra-rouges et peu après les rayons ultra-violets capables d'agir sur certains composés chimiques. Chacune de ces radiations, dans le vide ou dans l'air, est caractérisée, comme nous l'avons dit, par sa longueur d'onde, c'est-à-dire l'espace parcouru par l'onde pendant la durée d'une période vibratoire. Ces longueurs sont extrêmement petites ; pour les rayons visibles, elles varient de 0[i.,734 pour le rouge extrême à 0[jl,396 pour le violet extrême, en désignant par [i le micron ou millième de millimètre. Un phénomène capital est la dispersion : il consiste en ce qu'un rayon lumineux ou calorifique pénétrant dans un corps transparent est dévié. L'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde; ceci montre que, contrairement à ce qui se passe dans le vide, la vitesse de propagation dans le corps n'est pas la même pour toutes les vibrations. C'est là un point extrêmement important et qui tient à l'action de la matière pondérable sur l'éther, dont nous avons déjà dit un mot tout à l'heure. On a proposé, au sujet de cette action, diverses hypothèses donnant lieu à autant de théories de la dispersion, qui ont conduit à des relations entre l'indice de réfraction et la longueur d'onde prise soit dans le vide, soit dans le corps coiisidéré, relations que l'expérience vérifie dans des intervalles plus ou moins larges. Les théories les plus satisfai-

santés sont celles d'Helmholtz et de M. Boussinesq; «lies rendent notamment bien compte des phénomènes d'absorption et de dispersion anormals, un type de ceux-ci étant fourni par la vapeur d'iode, dont les propriétés absorbantes sont si remarquables et qui réfracte plus fortement le rouge que le violet (contrairement à ce qui a lieu pour les corps transparents) comme Ta montré autrefois M. Le Roux.

Le spectre infra-rouge a fait, dans ces]vingt dernières années, Tobjet de travaux nombreux. Pour pénétrer très avant dans Tétude de ces grandes longueurs d'onde, il faut recourir à l'observation de l'action calorifique. MM. Desains et Curie avaient déterminé la dispersion d'un prisme de sel gemme jusqu'à la longueur d'onde 7 {i et, en isolant, au moyen d'un diaphragme, une série de raies du spectre infra-rouge, mesuré la longueur d'onde de chacune d'elles avec an réseau et une pile thermo- électrique. M. Langley a poussé beaucoup plus loin ces recherches, en employant un instrument d'une merveilleuse sensi* bilité, le bolomètre; il a été possible d'aller ainsi jusqu'à des longueurs d'onde de 22 [a. La séparation des rayons calorifiques de grande longueur d'onde au moyen de la réflexion métallique a permis à M. Rubens d'aller plus loin encore, et la carte géographique de rinfra-rouge a pu être poussée jusqu'à des longueurs d'onde d« 314 p.. Il semble que ce soit pour le moment la limite extrême des grandes longueurs d'onde auxquelles on soit parvenu en optique. Nous allons rencontrer bientôt en électricité des

longueurs d'onde considérables, mais les plus courtes d'entrés elles, qui sont de 2.000 [i ne rejoindront pas encore les plus grandes radiations de rinfra-rouge. Les radiations ultra-violettes ont été étudiées avec le plus grand soin. L'ultra-violet solaire ne va guère au delà de fx, 30, car notre atmosphère absorbe les rayons de moindre longueur d'onde, mais diverses sources terrestres, telles que l'arc électrique, ont permis d'aller plus loin. Il est nécessaire toutefois de se servir de pièces d'optique en quartz ou en spath fluor. Avec les lampes en quartz à vapeur de mercure on a pu aller jusqu'à 0[JL, 20. Schumann découvrit que le spath fluor absorbait moins que le quartz les rayons de petite longueur d'onde ; il a ainsi obtenu des rayons de longueur d'onde [x, 103 : ce sont les rayons dits de Schumann.

Nous avons déjà parlé plusieurs fois, notamment à propos de l'aberration et de la dispersion, de l'action de la matière pondérable sur l'éther. Nous rencontrons encore l'action de l'éther (ou de la lumière) sur la matière pondérable dans les phéno^ mènes, très délicats à observer, où se manifeste la pression exercée sur une surface par un faisceau de rayons lumineux. Cette force, dont Maxwell et Bartoli avaient théoriquement prédit l'existence, a été mise en évidence par M. Lebedef; dans de telles expériences, il faut éliminer les effets provenant de réchauffement, comme les forces provo* quées par la convection des gaz, et aussi les forces de la nature de celles qui sont en jeu dans le radio-

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mètre de Crookes. On comprend que la répulsion provenant de la radiation solaire doive jouer un rôle dans le mouvement des comètes et dans les apparences que présentent ces astres étranges; ainsi se trouve expliquée la force répulsive émanant du soleil, invoquée autrefois par M. Paye. Au point de vue du principe de Végalité de Vaction et de la réaction^ cette action exercée sur les corps par la lumière soulève de graves difficultés, puisqu'il faut faire intervenir dans l'application du principe non seulement la matière, mais aussi Téther.

Ne quittons pas l'optique classique sans dire un mot de l'instrument qui a transformé les sciences physiques et surtout les sciences biologiques, le microscope. En opérant dans les conditions les plus favorables, on arrivait jusque dans ces dernières années à obtenir pour deux points des images distinctes, quand leur distance n'était pas inférieure à environ un huitième de micron. Avec des dispositifs spéciaux, on peut aller plus loin aujourd'hui, car le problème est autre si, au lieu d'avoir un champ éclairé, on regarde sur un fond obscur des objets lumineux par eux-mêmes; c'est ce qui arrive déjà pour les étoiles regardées le jour ou la nuit même à Tœil nu. Il y a peu d'objets lumineux par eux-mêmes, mais on a l'équivalent en éclairant vivement l'objet de manière que le faisceau éclairant ne pénètre pas dans le microscope; on peut augmenter ainsi notablement la puissance du microscope et apercevoir des objets dits ultramicroscopiques^ dont les diamètres sont environ vingt-cinq

fois plus petits que les objets microscopiques les plus petits, ce qui nous conduit aux cinq millièmes <le micron.

Parmi les observations d'un intérêt philosophique général faites avec le microscope, d'ailleurs de moyenne puissance, il n'en est peut-^tre pas de plus importante que celle du mouvement brownien^ récemment reprise par M. Gouy. Une goutte d'eau, par exemple, tenant en suspension quelque poussière minérale ou organique, est le siège de mouvements continuels. Chaque particule se meut autour de sa position moyenne : c'est une trépidation sans fin, comme l'a observé M. Gouy dans des préparations bien closes conservées pendant plusieurs années. Alors que nous voyons autour de nous tous les mouvements s'éteindre, quand on ne les entretient pas, par suite de résistances passives, le mouvement brownien est persistant, ou, du moins, semble persister très longtemps. Il paraît y avoir opposition avec la loi d'évolution qu'est le principe de Gamot. C'est ici qu'on voit la nécessité de regarder ce principe comme s'appliquant seulement à des ensembles suffisamment complexes ; on ne doit pas l'appliquer à ces mouvements moléculaires cachés qui, d'après l'explication de M. Gouy, sont la cause des mouvements des particules en suspension dans le liquide. Il faut avouer que tout cela laisse un peu perplexe, et l'on se demande si, comme dans l'exemple précédent, •des masses cachées devenant apparentes avec le microscope, ne risquent pas de mettre en péril les prinr cipes regardés comme les plus solidement établis.

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Les questions relatives à la couleur des corps^ sont les plus délicates de l'optique. Un admirable modèle en ce genre nous est fourni par le mémoire dé lord Rayleigh sur la lumière du ciel et sa cou> leur. Les molécules d'air agissent au regard des. ondes lumineuses comme de petits résonnateurs, à condition que leurs dimensions soient très petites par rapport à la longueur d'onde. On trouve ainsi que les intensités de là lumière diffractée par les molécule!^ d'air et la lumière incidente sont entre elles comme Tinverse de la quatrième puissance de la longueur d'onde. Cette loi permet de calculer la composition de la lumière transmise par l'atmosphère, et lord Rayleigh trouve une teinte voisine du bleu que noas connaissons.