LA LUMIÈRE

Production et propagation de la lumière. On donne le

nom (.le Ituiui'rt' li fai^TUt ([ui produit sur TomI les impressions dites lu mineuses.

Newton admettait que les corps lumineux émettent en tous sens, sous forme de molécules fort ténues, un lluide impondérable doué d'une vitesse considérable, qui produisait, en pénétrant dans l'ccil, les sensations lumineuses.

Devant les progrès de la physique moderne, cette hypothèse connue sous le nom iVliijpothèse de rémission a du tomber. Elle est remplacée par une autre, dite des ondulations, qui admet que les corps lumineux sont animés d'un mouvement vibratoire excessivement rapide se propageant à l'œil par l'intermédiaire d'un fluide très-subtil que l'on suppose rem[)lir l'espace et que l'on nomme éther. Un ébranlement en un point quelconque de ce fluide se transmet en tous sens sous forme d'ondes sphériques, comparables à celles que l'on produit en jetant une pierre dans l'eau.

Les travaux des physiciens actuels tendent à établir entre le son, la chaleur, la lumière, le mouvement et toutes les forces physiques, les plus grandes analogies. Toutes ces forces susceptibles, comme nous l'avons vu , de se transformer les unes dans les autres, sont produites par des vibrations. Dans le son, les vibrations des corps sonores se transmettent à l'oreille par l'intermédiaire de l'air; dans la lumière, cette transmission s'opère par l'intermédiaire du fluide inconnu encore, désigné sous le nom d'éther.

Le nombre des vibrations que les corps lumineux exécutent en un temps déterminé est incomparablement supérieur à celui des vibrations des corps sonores. Alors que le son le plus aigu ne dépasse pas 73,000 vibrations par seconde, les vibrations lumineuses les plus lentes que nous puissions percevoir doivent frapper la rétine 452 billions de fois pendant le même temps.

La propagation de la lumière peut être comparée à la marche des ondes sonores produites par la vibration d'un corps dans l'air, ou encore à celle des ondes liquides produites par la chute d'un corps pesant dans l'eau, et les phénomènes observés dans ces divers cas sont identiques. En regardant les ondes qui se propagent à la surface de l'eau, on voit qu'elles peuvent être comparées à des montagnes séparées par des vallées. Bien que la propagation des ondes se fasse dans la même direction, le résultat qu'elles produisent en s'ajoutant entre elles peut être très-variable. Si, par suite de leur vitesse différente, les montagnes des une? se superposent aux vallées des autres , les montagnes doublent de hauteur et les vallées sont deux fois plus profondes. Si, au contraire, les montagnes se superposent aux vallées, les ondes s'annulent réciproquement, et montagnes et vallées disparaissent en même temps. C'est un phénomène connu en physique sous le nom iV interférences. Les ondes sonores et lumineuses se comportent comme les ondes liquides : elles se renforcent ou se détruisent suivant leur direction, et, par suite, de la lumière ajoutée à de la lumière peut produire de l'obscurité, et du son ajouté à d'autres sons peut engendrer du silence. Si on fait vibrer deux cordes presque à l'unisson, on obtient d'abord un son d'une intensité double de celle que produirait une seule corde ; puis, à des intervalles réguliers , un silence résultant de la neutralisation des ondes sonores. I>Iême résultat avec la lumière : En projetant sur une feuille de papier, avec deux miroirs pouvant former entre eux un angle variable, la lumière émanée d'un foyer lumineux, nous verrons, suivant la position des surfaces réfléchissantes, les deux lumières s'ajouter ou s'anéantir, et, par suite, certaines parties du papier vivement éclairées ou plongées au contraire dans l'obscurité*. Si, dans ce dernier cas, on place un écran

* L'expérience se fait au moyen d'une source lumineuse très-étroite et de deux petits miroirs placés verticalement l'un k côté de l'autre, de manière à fonner entre eux un angle très-obtus. L'image qu'ils donnent sur un écran est sillonnée de bandes sombres, produites par l'interférence des ondes lumineuses. De l'intervalle qui sépare les b.indes et de la distance à laquelle elles se trouvent du miroir, on déduit, en opérant avec les diverses couleurs du spectre, la longueur des ondes de chacune d'elles. La longueur des ondes étant ainsi déterminée et la vitesse de la lumière étant également connue, on peut, par le calcul, déterminer le nombre de vibrations lumineuses exécutées par chaque couleur en un temps donné.

sur le (nijct ,ri,nf d.s luiincivs, les parties obscures seronl ilhiiinlurs missKùl par rauiie. Luhscurilé élail .l<„„; \un\U' résultat de I addition des laisceauK Imiiincux, et nous voyons dc-ji, par ces expériences, auxciuelles il serait facile d'en ajouter jjeaucouf) d'autres, quel degré de probabilité l'Iiypothèse des ondulations actjuiert. Les physiciens et les astronomes sont parvenus, pardes méthodes lort précises, à déterminer la vitesse de propa.i^'ation de la lumière. ^ous savons maintenant que les ondes lumineuses i^arcourent //,000 heues par seconde. C'est une vitesse considérable si on la compare à celle des divers corps ou a-ents en mouvement tels que le son, qui ne se propage qu'avec une vitesse de 333 mètres par seconde; le boulet, au sortir du canon, qui ne parcourt que 550 mètres dans un égal espace de temps; la locomotive ou l'oiseau, qui n en Iranchissent qu'une trentaine dans le même intervalle. Mais si on la compare à la distance des astres d'où elle émane, nous pouvons dire en réalité qu'elle est minime. Un rayon lumineux parti du soleil ne met que 8 minutes pour arriver de cet astre jusqu'à nous; mais il lui laut 3 ans pour venir de l'étoile la plus rapprochée de notre planète, et des myriades de siècles pour venir d'autres étoiles. Si tous les astres qui scintillent au firmament venaient à être subitement détruits, nous les verrions briller cependant encore bien des années. Les astronomes étudient peut-être aujourd'hui des mondes morts depuis des milliers de siècles. Quand nous regardons, au télescope, un de ces astres si prodigieusement lointains, nous ne le voyons pas tel qu'il est au moment de l'observation, mais tel (ju'il était lorsque le rayon lumineux que nous apercevons partit de sa surface. C'est un courrier qui nous donne des nouvelles du lieu d'où il vient, tel qu'il l'a laissé lorsqu'il l'a quitté. Si les habitants des mondes célestes ou des planètes qui gravitent autour d'eux possédaient des instruments assez parfaits pour apercevoir avec tous ses 'létails la surface de notre globe, ils en verraient les habitants les villes qui leur servent de demeure, les événements dont elles sont le théâtre, tels qu ils étaient autrefois et non tels qu ils sont aujourd'hui. De l'étoile polaire, par exemple, dont la lumière met oO ans seulement pour venir jusqu'à nous, on verrait >e dérouler la chaîne des événements qui se sont passés il v a un

demi-siècle à la surface de notre planète, et qui nous semblent anéantis pour toujours. Un être assez puissant pour se transporter instantanément de monde en monde pourrait revoir à volonté, suivant la distance , les phases diverses de l'histoire des mondes soustraites ainsi par la lumière à l'inflexible main du temps. L'image de notre globe à une heure quelconque de son passé doit être aujourd'hui dans l'espace à la distance précise que depuis cette époque la lumière a pu parcourir.

Coloration des corps. On sait depuis les expériences de Newton que la lumière blanche est composée de rayons diversement colorés. Chacun peut s'en convaincre en faisant passer un rayon solaire à travers un prisme de verre. Les diverses couleurs n'étant pas également déviées par le prisme, sont séparées par lui et forment à leur sortie une longue bande colorée à laquelle on a donné le nom de spectre solaire.

On distingue facilement dans le spectre solaire les sept couleurs suivantes : violet, indigo, bleu, vert, jaune, orangé, rouge. En réunissant ces sept couleurs au moyen d'une lentille convergente ou d'un miroir, on reconstitue au foyer de la lentille ou du miroir le faisceau primitif de lumière blanche, ce qui démontre bien la nature de cette dernière.

La lumière n'est visible pour nous qu'à condition d'être réfléchie par les corps sur lesquels elle tombe. Elle rebondit à leur surface comme la balle élastique lancée contre un mur, en faisant avec la perpendiculaire menée à cette surface un angle de réflexion égal à l'angle d'incidence. L'œil placé parallèlement au trajet du rayon lumineux ne saurait le percevoir. Si, comme l'a fait Tyndall, on détruit avec un corps chaud les poussières qui peuvent se trouver sur le passage de la lumière et la réfléchir, la source lumineuse la plus intense ne produit d'autre impression sur l'œil que celle d'une obscurité complète. La lumière qui traverse les espaces célestes ne saurait illuminer leurs ténèbres profondes. Par elle-même la lumière est donc absolument invisible ; ce sont uniquement les modifications qu'elle éprouve en présence des corps, que nous pouvons apercevoir.

Les corps qui absorbent toutes les couleurs sans les réfléchir

soiil Moirs; ct'uv (|ui les réflcH'his.sent loutos sont Miincs ; ceux (|ui lu' it'llccliissciit (jirune partie lies rayons luiiiiueuv ont pi'écisemeiil la coiileiir du laNoii ((n'ils rélli'ciiisseiil. c'est-Ji-dire n'ahsorbent pas. Un corps est roiii,^, bleu, vert, parce qii il retient toutes les couleurs sauf le "rouge, le bleu, le vert, qu'il ne peut absorber et renvoie à notre ceil. Les corps ont donc précisément la couleui' ([uils n'absorbent pas; les couleurs que nous leurs prêtons ne sont (jue de vaines apparences; quand la lumière qui tombe sur eu\ ne contient qu'une seule teinte, la diversité des couleurs disparait. J.ors(|u'on éclaire avec une lampe à alcool, dont la mècbe est imbibée de sel, un appartement contenant des draperies et des fleurs des plus riches couleurs, leur coloration fait immédiatement place à une teinte verdàtre uniforme. La lumière qui tombe sur eux étant simple, ils ne peuvent, en ellet, la décomposer pour réfléchir les rayons colorés, et ils se trouvent privés de ces couleurs brillantes qui leur constituent en réalité un véritable manteau d'emprunt.

Toutes les sources lumineuses ne sont pas. comme la lumière solaire, composées de 7 couleurs ; beaucoup n'en ont qu'une ou deux. Une source lumineuse peut du reste être parfaitement blanche sans posséder les 7 couleurs. Avec 2 couleurs du spectre on peut, en effet, produire le blanc.

On a donné le nom de couleurs complémentaires à celles qui peuvent se combiner pour former du blanc. Le vert est dit complémentaire du rouge, parce qu'en le combinant avec ce dernier on produit du blanc. C'est un résultat qu'on obtient facilement avec les couleurs du spectre, mais que le peintre, avec sa palette, chercherait vainement à atteindre, parce que les couleurs qu'il emploie ne sont jamais pures; son rouge réfléchit d'autres couleurs que du rouge, son vert d'autres couleurs que du vert, etc.

D'après les observations de M. Chevreul, chaque couleur tend à colorer de sa couleur complémentaire les couleurs qui l'avoisinent. Si les couleurs juxtaposées contiennent une couleur commune, cette dernière tend à disparaître. Ainsi le rouge mis à côté de l'orangé, dont la couleur complémentaire est le bleu, prend une teinte bleue; l'orangé perd de son rouge, qui est l'élément commun, et tire sur le jaune. La connaissance de cette loi a eu les plus im-

portantes applications dans la teinture, notamment dans celle des tapisseries, où le nombre des teintes est relativement limité.

Pour produire toutes les couleurs du spectre, il suffît de la combmaison de trois couleurs, le rouge, le vert et le bleu, qu'on désio'ne pour cette raison sous le nom de couleurs fondamentales. Mais si, au lieu d'employer les couleurs du spectre, on se sert des couleurs que l'industrie fabrique, on n'obtient pas les mêmes résultats, par suite de l'impureté des couleurs dont nous avons parlé. Pour les peintres, c'est le jaune, le rouge et le bleu qui constituent les trois couleurs fondamentales.

Les couleurs du spectre solaire visibles pour nous sont-elles les seules qu'il contienne? Nous avons vu combien nos sens sont limités et impuissants à connaître toutes les propriétés des corps quand elles dépassent une certaine étendue. Or, de même que notre oreille ne peut percevoir les sons trop aigus ou trop bas , c'est-à-dire les sons résultant d'un nombre de vibrations supérieur ou inférieur à une certaine limite, notre œil est impuissant aussi à percevoir les vibrations lumineuses dont le nombre s'écarte d'un certain chiffre, et c'est seulement par des moyens détournés qu'il nous est possible de constater leur existence.

Si dans la partie du spectre qui est invisible pour nous on place un corps susceptible de se colorer à la lumière, comme le chlorure d'argent, par exemple, et que nous le voyions se colorer, nous pourrons en conclure qu'il y a dans cet espace de la lumière, obscure, invisible pour nous, mais visible pour lui. Nous pourrions encore rendre perceptibles ces rayons invisibles, en plaçant dans la partie où ils se trouvent un papier recouvert d'une solution de sulfate de quinine, matière tout à fait incolore, mais qui a la propriété de s'illuminer en bleu sous leur influence.

Il est démontré aujourd'hui que les divers rayons élémentaires dont se compose le spectre ont une couleur différente pour une raison analogue à celle qui fait que les sons sont plus aigus ou plus graves, c'est-à-dire parce qu'ils exécutent un nombre plus ou moins grand de vibrations dans un temps donné. De même que pour le son , on est arrivé pour la lumière à déterminer le nombre de ces vibrations. Le spectre solaire est à l'œil, comme le dit Tyndall, ce

(jue la i^aminc est ii roicilk'. Les clilléreiiles couleurs représentent des notes dilTérentes. Les vibrations (jiii i)ioduisent l'impression du roiiiu^e sont i)his lentes, et les ondes ({u'elles en.ii;endrent plus étendues que celles (jui produisent l'iujpression du violet. Pour j)roduire l'impression du rouii;e sur le cerveau, la rétine doit recevoir Zi52 billions de vibrations lumineuses, c'est-à-dire de chocs par seconde, et pour produire le violet, 785 billions dans le mémo tenips. Les lonijueurs d'ondes ont dans le rouge 0878 cent-millionièmes de millimètre et dans le violet 3929. Les autres couleurs sont engendrées par des ondes de longueur intermédiaire. Nous avons vu plus haut conunent on était arrivé à déterminer ces chilTres. Les rayons invisibles qui se trouvent aux deux extrémités du spectre, c'est-à-dire au delà du violet et du rouge, sont des rayons de tons trop bas ou trop élevés pour être perçus par l'œil, absolument comme il y a des tons musicaux trop aigus ou trop graves pour être entendus.

La chaleur et la lumière sont considérées actuellement par les physiciens comme étant de même nature, mais il ne faudrait pas en conclure cependant que la température d'un corps est toujours proportionnelle à son éclat. Si on place successivement un thermomètre dans le spectre d'une source lumineuse, on le voit s'élever du violet au rouge et continuer à s'élever encore quand on le porte au delà de cette dernière couleur dans la région invisible dont nous avons parlé plus haut. En interposant sur le trajet des rayons lumineux une dissolution d'iode dans du sulfure de carbone, on rend la lumière invisible et on laisse passer seulement les vibrations calorifiques. On peut inversement, avec certaines substances, connue l'alun par exemple, retenir la chaleur et laisser passer seulement la lumière.

Réfraction de la lumière. — Marche des rayons lumineux dans les lentilles, — Lorsque la lumière passe obliquement d'un milieu dans un autre milieu dénature différente, comnie, par exemple, de l'air dans l'eau, les rayons lumineux éprouvent une déviation à laquelle on a donné le nom de réfraction. C'est elle qui fait paraître brisé le bâton qu'on introduit dans l'eau, qui modifie

la grandeur des objets vus à travers les lentilles, qui produit le mirage, etc.

Représentons par AB (fig., 213) le rayon qui change de milieu et qu'on nomme le rayon incident, par BG le rayon qui a changé de

Vil. -m.

direction et qu'on nomme le rayon réfracté, et menons une ligne BD perpendiculaire à la surface EF qui sépare les deux milieux. Les

lis 211. — Hfjiitciiun ilr hi lii/itiure.

angles que forme celte ligne avec le rayon incident et le rayon réfracté se nomment, le premier V angle d'incidence, le second Vangle de réfraction, et suivant que le rayon réfracté s'approche plus ou moins de la perpendiculaire que le rayon incident, on dit que le milieu dans lequel il pénètre est plus ou moins réfringent que celui d'où il sort. En passant d'un milieu moins dense dans

un milieu |)lus ilciiso. le rayon rc'fracté se i'nj)j)n)clie de in peijjendiciilaire. Il s'en éloii<nc quand il passe d'un milieu plus dense dans un milieu moins dense. Kn j)assant. par exemple, del'airMlans une lame de verre (jui constitue un milieu [)lus dense, un rayon lumineux GA (lig. 21/i) se rapproche de la j)erpendiculaire Ali élevée au point d'immersion ; nuiis en sortant du verre pour retourner dans l'air, milieu moins dense, il s'éloiiine de la perpendiculaire A'B' ('levée au point de sortie.

C'est par suite de la réfraction que les rayons lumineux qui |)assent à travers les lentilles sont déviés de leur route. On appelle lentille, enphysique, un milieu transparent compris entre deux sur-

V\'~- 215. — Lciilillc convexe.

Fig. 216. — Lentille concave.

faces dont une au moins est courbe. Toutes celles usitées dans les instruments d'optique peuvent se ramener à deux types, les lentilles convexes (fig. 215) et les lentilles concaves (fig. 21 G), c'està-dire les lentilles limitées par des surfaces convexes ou concaves. On nomme aussi les premières lentilles convergentes et les secondes lentilles divergentes, en raison de leur propriété de concentrer ou de faire diverger les rayons lumineux qui viennent tomber sur elles.

Lorsque des rayons parallèles entre eux, comme par exemple des rayons provenant d'une source lumineuse située à l'inlini ou à une grande distance, traversent une lentille convexe, ils vont, après leur réfraction, converger en un point F que l'on nomme foyer prin-

cipal delà lentille et qui, dans les lentilles ordinaires, coïncide à peu près avec leur centre de courbure. Une lentille taillée, par exemple.

Fig. 217. — Foyer principal des lenlilles convexes.

dans une sphère convexe de 12 centimètres de rayon aura son foyer principal à une distance de 12 centimètres.

Si la source lumineuse F, tout en n'étant pas à l'infini ou à une i>rande distance, est cependant plus éloignée de la lentille que ne l'est son foyer principal, les rayons qui en sortent vont converger dft côté opposé de la lentille en un point /"de son axe situé plus loin

Fig. 218. — Foyer conjugué des lentilles convexes.

que le foyer principal G et que l'on nomme foyer conjugué ^ parce que sa position est liée à celle du point lumineux.

A mesure que le point lumineux se rapproche de la lentille , le foyer conjugué s'en éloigne, et enfin, quand ce point arrive au foyer principal, les rayons qui sortent de la lentille sont parallèles à son axe et, ne pouvant plus^ par suite, se réunir, n'ont pas de foyer.

Si la source lumineuse, se rapprochant toujours, arrive entre le foyer principal et la lentille, les rayons qui en sortent divergent et, pas plus que dans le cas précédent, ne sauraient avoir de foyer. Cependant on admet que leurs prolongements en arrière se réunissent en un point nommé foyer virtuel.

Les rayons qui traversent les lentilles co/icarcA- étant toujours divergents, n'ont pas de foyer réel; ils n'ont qu'un foyer virtuel, c'est-à-dire formé au point C où se réunissent en arrière les rayons

/ft^

Fig. 219. — Foijcr viiiucl des lentilles concaves.

divergents prolongés. La position de ce foyer virtuel varie^ comme dans les lentilles convexes, suivant la position du point lumineux. Pour connaître la forme des images produites par les lentilles, il n'y a qu'à déterminer la forme de chacun des points de l'objet d'où les rayons lumineux émanent. La figure 220 montre la forraa-

rig. 220 — rurinaliun des imaijes à travers tes lentilles cunvexes.

tion de l'image, à travers une lentille convexe 0 — le cristallin de l'œil — , d'un objet AB placé au delà du foyer principal. Cet objet forme, comme on le voit, son image del'autre côté de la lentille aux points aet b qui sont les foyers conjugués des points A et B. Cette image est renversée et réduite. On dit, en outre, qu'elle est réelle,

car on peut la recevoir sur un écran , ce qui n'a pas lieu pour les images virtuelles. C'est de cette façon que se forment les images dans les chambres noires et dans l'œil.

Si l'objet était en ab au lieu d'être en AB, son image irait se former en AB. Au lieu d'être réduite, elle serait amplifiée, et d'autant plus que l'objet serait plus rapproché du foyer principal de la lentille.

Placé au foyer principal, l'objet ne donnerait plus d'image, puisque les rayons qui sortent de la lentille seraient, comme nous l'avons vu, parallèles. Mais placé entre le foyer principal et la lentille, il donnerait, sur le prolongement des rayons divergents, une image virtuelle, droite et plus grande que l'ohjet. On ne pourrait plus la recevoir sur un écran, mais l'œil placé derrière la lentille la verrait amplifiée. C'est sur ce principe que repose l'emploi des lentilles convexes comme verres grossissants. Le grossissement augmente avec là convexité de la lentille et le rapprochement de l'objet du foyer principal.

Les lentilles concaves ne donnant, comme nous l'avons vu, que des foyers virtuels, ne peuvent fournir que des images virtuelles. Elles sont droites comme les images virtuelles des lentilles convexes; mais, au lieu d'être plus grandes que l'objet, elles sont plus petites.

Aberrations des lentilles. — Les lentilles convexes et concaves, comme celles dont nous venons de parler, présentent deux graves défauts : V aberration de sphéricité et l'aberration de réfran- (jibilité ou aberration chroînati(/ue, qui font que les images formées à leur foyer ne sont pas nettes sur leurs contours et sont irisées de teintes diverses. L'aberration de sphéricité consiste en ce que tous les rayons lumineux émanés de chacun des points de l'objet, au lieu de venir concourir au même foyer, ont, par suitedela courbure de la lentille, des foyers légèrement différents ; le foyer des rayons qui frappent la périphérie de la lentille est plus rapproché d'elle que celui des rayons qui frappent sa partie centrale. Les rayons rapprochés de l'axe étant les seuls qui forment leur foyer au même point, il en résulte que les images sont plus ou moins dé-

ronnécs sur leurs bords. La déroriiiiilioti iiui^mcnte avec la c(jurbure de la lentille. C'est dans les leiilillcs |tlan-conve\es qu'elle est réduite ii son niiniinuin, (juand les rayons luniineu\, pai'allèles, pénètrent par sa l'ace couibe. l'allé est moindre aussi dans j)lusiours lentilles superposées que dans une seule lentille dont la longueur focale serait éi^ale a celle des lentilles réunies.

L'aberration de s|)héricitéso coiTige par diverses combinaisons optiques, dont la plus simple, mais aussi la moins parfaite, bien qu'elle ait ele adoptée par la nature dans l'œil, consiste à arrêter les rayons les plus e\centri([ues par un diaphragme, c'est-à-dire par un écran percé d'un trou \i son centre. On gagne ainsi en netteté, mais on perd considérablement en éclat.

Labermtion chromatique ou aberration de réfrangibilité consiste en ce fail ([ue les lentilles ont, comme les prismes, bien qu'à un degré moindre, la propriété de décomposer la lumière, en sorte qu'elles séparent les rayons lugaineux en môme temps qu'elles les réfractent. Les couleurs élémentaires dont se compose la lumière blanche étant inégalement réfractées, les foyers de leurs rayons ne se réunissent pas au même point, ix^ foyer des rayons violets ne coïncide pas, par exemple, avec celui des rayons rouges, et l'image del'objet placé devant la lentille se trouve alors bordée de franges colorées.

On a cherché longtemps en vain à achromatiser les lentilles, c'està-dire à amener au même foyer les rayons de toutes les teintes primitives. Newton croyait le problème impossible; mais il a été résolu de nos jours par l'association de lentilles ayant chacune un pouvoir dispersif différent. Une lentille biconvexe de flint (jlass, cristal très-mou, contenant près de moitié de son poids d'oxyde de plondj et qui a un pouvoir dispersif considérable, s'achromalise avec une lentille biconcave de crown glass, verre à base de potasse et de soude très-dur, et qui décompose moins la lumière que le précédent.

Un achromatisme parfait serait fort difficile, car il exigerait une lentille différente pour chacune des sept couleurs dusj)ectre et, par suite, la réunion de sept lentilles. Dans la pratique, on se contente de faire coïncider exactement au même foyer les deux couleurs extrêmes du spectre, c'est-à-dire le violet et le rouge.