L'OPTIQUE DE NEWTON

L'analyse de la lumière.

Les études de Newton sur l'optique, sans témoigner du même génie que le livre des Principes, n'en sont pas moins un des principaux titres de gloire de ce grand homme; plusieurs sont restées classiques, nous les analyserons avec quelque détail et nous en citerons plusieurs passages.

Dans le courant de Tannée 1666, dit M. Biot, le hasard l'avait porté à faire quelques expériences sur la réfraction de la lumière à travers des prismes. Ces expériences, qu'il avait d'abord tentées comme un amusement, et par un simple attrait de curiosité^ lui avaient bientôt offert des conséquences importantes. Elles TaVaient conduit à voir que la lumière, telle qu'elle émane des corps rayonnants, du soleil, par exemple, n'est pas une substance simple et homogène; inais qu'elle est composée d'une infinité de rayons doués de réfrangibilités inégales et de facultés colorifiques diverses. Alors l'inégalité des réfractions subies par ces rayons dans un même corps, quand ils le pénètrent »ou8 une même incidence, lui avait servi de moyen pour les

séparer ; et, les possédant ainsi isolés, il avait commencé à étudier les autres propriétés qui pouvaient leur appartenir individuellement. Mais l'irruption de la peste qui, dans cette même année, le força de se réfugier à la canipagne, Tayant séparé de ses instruments, et privé de moyens d'expériences^ il tourna ses pensées sur d'autres objets.

Plus de deux ans s'écoulèrent encore sans qu'il revînt k ce genre de recherches ; mais il y fut naturellement ramené, lorsqu'il vit qu'il allait être chargé de faire à Cambridge les leçons d'optique, à la place de Barrow, qui, en 1669, lui résigna généreusement sa chaire. Cherchant alors à compléter ses premiers résultats, il fut conduit à une foule d'observations, non moins admirables, parleur nouveauté et leur importance, que par la sagacité, l'adresse et la méthode qu'il mit à les imaginer, les exécuter et les enchaîner les unes aux autres. Il en composa un corps complet de doctrine, où les propriétés fondamentales de la lumière étaient dévoilées, établies et classées d'après l'expérience pure, sans aucun mélange d'hypothèses; nouveauté alors aussi surprenante et aussi inouïe que ces propriétés ellesmêmes. Ce fut là le texte des leçons qu'il commença de donner à Cambridge, en 1669, ayant à peu près vingt-sept ans. Ainsi, d'après ce que nous avons raconté de la succession de ses idées, on voit que la méthode des fluxions, la théorie de la pesanteur universelle, et la décomposition de la lumière, c'est-à-dire les trois grandes découvertes dont le développement a fait la gloire de sa vie, étaient nées dans son esprit, avant qu'il eût atteint. sa vingt-quatrième année.

Quoique les leçons de Newton sur l'optique dussent inévitablement finir par donner une sorte de publicité à ses travaux sur la lumière, il ne s'en dessaisit point encore, voulant sans doute se réserver le temps et la possibilité d'y ajouter l'analyse complète de quelques autres propriétés plus singulières, qu'il n'avait fait encore qu'entre*

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voir : je veux parler des intermittences de réflexion et de réfraction, qui s'opèrent dans les lames minces, et peutêtre dans les dernières particules de tous les corps. Ce fut seulement deux ans après, en 1671, qu'il se laissa aller à dévoiler quelque chose de ces recherches; et il fut bientôt conduit à les faire entièrement connaître, à l'occasion de son élection comme membre de la Société Royale en 1672. (Biot, Mélanges scient, et liti,, t. I, p. 140.)

Newton compléta l'analyse de la lumière dans un second mémoire publié en 1672 dans les Transactions philosophiques; puis dans un troisième mémoire publié en 1675, il donna

Tanalyse expérimentale des phénomènes de coloration qui s'observent dans les lames minces de toutes les substances, phénomènes qui avaient été précédemment signalés et décrits par Hooke, mais sans qu'il en eût donné ni les mesures ni les lois. Newton établit d'abord ces mesures avec une précision et une délicatesse admirables ; puis, il en conclut les lois physiques par lesquelles tous les résullats s'enchaînent et se déduisent les uns des autres *.

Ce travail réuni presque textuellement au premier mémoire sur l'analyse de la lumière forma la base du grand ouvrage.de Newton, rOptiquCy publié en 1704.

Le traité d'Optique parut d'abord en anglais, sous ce titre : Opiicks or a Treatise on the Réflexions^ Réfractions^ Inflexions and Colours ofLight. 1704.

VOptlqiie fut presque aussitôt traduite en latin par Clarke en 1706.

Une seconde édition anglaise parut en 1717.

Elle fut traduite en finançais par Coste, sur Tordre de la princesse de Galles. Cette traduction française parut d'abord en deux vol. in-18 à Amsterdam en 1720; puis à Paris en 1722 en 1 vol. in-4.

i* BiOT| Mélanges scient» et lité^t U l^ pi 150i

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C'est à cette traduction que nous empruntons les citations qui suivent.

L'ouvrage est divisé en trois livrais.

Dans le premier, la réflexion, la réfraction, la dispersion sont étudiées avec soin et expliquées en détail dans la théorie de l'émission. Newton, préoccupé du grand nombre de faits expliqués par l'attraction, suppose que le phénomène de la réfraction est dû à une attraction exercée sur les particules lumineuses par les corps réfringents.

La plupart des expériences citées dans ce premier livre sont devenues classiques. Nous y faisons de longs emprunts.

Première proposition. — Les rayons de lumière qui diffèrent en couleur diffèrent aussi en degrés de réfrangibilité,

La preuve fondée sur des expériences.

Première expérience. — Ayant pris un morceau de papier noir, oblong et très fort, terminé par des côtés parallèles, je le distinguai en deux parties égales par une ligne droite en travers, tirée perpendiculairement d'un côté à l'autre. Je peignis une de ces parties en rouge et l'autre en bleu. Le papier était fort noir, et les couleurs foncées et épaisses, afin que le phénomène fût plus sensible. Je regardai ce papier k travers un prisme de verre solide, dont les deux côtés au travers desquels la lumière passait dans l'œil, étaient plans et bien polis, et faisaient un angle d'environ 60° que j'appelle l'angle réfringent du prisme. Et tandis que j'avais les yeux sur ce papier, je le tenais avec le prisme devant une fenêtre, de telle manière que les côtés du papier étaient parallèles au .prisme, que ces deux côtés et le prisme étaient parallèles à Thorizon aussi bien que la ligne qui les croisait; et que la lumière qui venait de la fenêtre sur le papier, faisait avec le papier un angle égal à celui que la lumière réfléchie du papier vers l'œil faisait avec ce même papier. Au delà du prisme^ le mur de la chambre au-dessous de la fenêtre était cou*vert d'un drap noir, et le drap était entièrement dans l'obscurité, afin que de là il ne réfléchit aucune lumière,

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qui en passant par les bords d^ papier à Toeil pût se mêlef avec la lumière du papier, et en obscurcir le phénomène. Ces choses ainsi disposées, je trouvai que, si Tangla réfringent du prisme est tourné en haut, de sorte que 1^ papier paraisse élevé en haut par la réfraction, la moitié bleue du papier sera élevée plus haut par la réfractioa que sa moitié rouge. Mais, si Tangle réfringent du prisme est tourné en bas, de sorte que le papier paraisse transporté plus bas par la réfraction, sa moitié bleue sera par là entraînée un peu plus bas que sa moitié rouge. Ainsi, dans les deux cas, la lumière qui vient àToeil de la moitia bleue du papier à travers le prisme, souffre en pareill«« circonstances une plus grande réfraction que la lumière qui vient de la moitié rouge, et par conséquent est plus réfrangible....

Seconde expérience. — Autour du papier décrit ci-dessus dont les deux moitiés étaient peintes d6 rouge et de bleu, et qui était aussi fort qu'un simple carton, je roulai plusieurs fois un fil délié de soie extrêmement noire, en telle sorte que les différentes parties de ce fil pussent paraître sur les couleurs comme autant de lignes noires tirées dessus, ou comme des ombres longues et minces, répan^ dues sur ces couleurs. J'aurais pu tracer des lignes noires avec une plume, mais ces fils étaient plus déliés. et mieux terminés. Ce papier ainsi coloré, et enveloppé de fils noirs, je rappliquai contre un mur perpendiculairement à Thorizon, de sorte que Tune des couleurs fût à main droite et l'autre à main gauche. Tout près devant le papier, dans le confin des couleurs vers le bas, je plaçai une chan-r délie pour bien éclairer le papier, car cette expérienc^e fut faite de nuit. J'approchai la flamme de la chandelle jusqu'au bord inférieur du papier, ou un peu plus haut. Après quoi, à la distance de 6 pieds et 1 ou 2 pouces du papier, j'élevai sur le plancher une lentille de verre,; large de A pouces et 1/4, qui pût rassembler les rayons venant des différents points du papier, les faire con-r

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verger vers tout autant d'autres points à la même distance de 6 pieds et 1 ou 2 pouces, de l'autre côté de la lentille, et peindre ainsi l'image du papier coloré sur un papier blanc mis dans cet endroit-là, de la même manière qu'une lentille appliquée au trou d'un volet de fenêtre dans une chambre obscure, jette les images dès objets de dehors sur une feuille de papier blanc. Ayant donc placé ce papier blanc perpendiculairement à l'horizon et aux rayons qui y tombaient dessus en venant de la lentille, je l'approchais quelquefois de la lentille, et quelquefois je l'en éloignais, afin de trouver les endroits où les images des parties bleues et rouges du papier coloré paraîtraient plus distinctement. Je découvris facilement ces ehdroits-là par les images des lignes noires formées par la soie que j'avais roulée autour du papier. Car les images de ces lignes déliées, qui à cause de leur noirceur paraissaient comme des ombres sur le bleu et sur le rouge, étaient confuses et à peine visibles, hormis dans le temps que les couleurs qui étaient à côté de ces lignes, se trouvaient terminées fort distinctement. Ayant donc observé avec toute l'attention possible les endroits où les images des moitiés rouges et bleues du papier coloré paraissaient les plus distinctes, je trouvai que là où la moitié rouge du papier paraissait distinctement, la moitié bleue parais* sait si confuse qu'on y pouvait à peine voir les lignes noires tirées dessus cette moitié bleue ; et qu'au contraire là où la moitié bleue paraissait le plus distinctement, la moitié rouge paraissait si confuse, que les lignes noires étaient à peine visibles sur cette dernière moitié. Du reste, il y avait un pouce et demi de distance entre les deux endroits où ces images paraissaient distinctes, de sorte que lorsque l'image de la moitié rouge du papier coloré paraissait le plus distinctement, l'endroit du papier blanc où se peignait cette image, était éloigné de la lentille, un pouce et demi de plus que n'en était éloigné l'endroit du même papier blanc où l'image de la moitié bleue paraissait

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le plus distinctement. Donc à pareilles incidences du bleu et du rouge sur la lentille, le bleu était plus rompu par la lentille que le rouge, de sorte qu'il convergeait un pouce et demi plus près de la lentille ; et par conséquent le bleu est plus réfrangible que le rouge....

Seconde proposition. — La lumière du soleil est co^nposée de rayons différemment réfrangibles,

La preuve fondée sur des expériences.

Troisième expérience. — Dans une chambre fort obscure ayant fait dans le volet d'une de ses fenêtres un trou rond d'environ un tiers de pouce de largeur, j'appliquai à ce trou un prisme de verre par lequel les rayons du soleil qui donnaient dans ce trou pussent être jetés en haut par léfraelion vers le mur opposé de la chambre, et y tracer une image colorée du soleil. Dans cette expérience et les suivantes. Taxe du prisme (c'est-à-dire la ligne qui, parai* lèle au bord de l'angle réfringent, traverse le milieu du prisme d'un bout à l'autre) était perpendiculaire aux rayons incidents. Ayant tourné lentement le prisme autour de cet axe, je vis que la lumière rompue tracée sur le mur, c'est-à-dire l'image colorée du soleil, descendait d'abord et ensuite montait. Entre cette descente et cette montée, lorsque l'image paraissait stationnaire, j'arrêtai le prisme, et le fixai dans cette situation afin qu'il ne remuât plus. Car dans cette position, les réfractions de la lumière aux deux côtés de l'angle réfringent, c'est-àdire à l'entrée des rayons dans le prisme, et à leur sortie du prisme étaient égales entre elles. Ainsi, dans d'autres expériences, toutes les fois que je voulais faire en sorte que les réfractions fussent égales entre elles aux deux côtés du prisme, je marquais l'endroit où l'image du soleil formée par des rayons rompus s'arrêtait entre ses deux mouvements opposés dans la commune période de son allée et de son retour ; et lorsque l'image tombait sur cet endroit-là, je fixais le prisme. Et c'est dans cette situation, comme la plus commode^ qu'on doit compter que tous

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les prismes ont été placés dans les expériences suivantes, à moins que je ne désigne expressément quelque autre position. Le prisme étant donc situé de cette manière, je laissai tomber la lumière rompue vers le mur opposé de la chambre, sur une feuille de papier blanc perpendiculaire aux rayons rompus, et j'observai la figure et les dimensions de Timage solaire que cette lumière traçait sur le papier. Cette image, quoique oblongue, n'était pas ovale, mais terminée par deux côtés rectilignes et parallèles, et par deux bouts semi-circulaires. Par ses côtés, elle était terminée assez distinctement, mais d'une manière très confuse par ses bouts où la lumière commençant à manquer, s'évanouissait par degrés. La laideur de cette image répondait au diamètre du soleil, et était d'environ 2 pouces et 1/8 de pouce, y compris la pénombre. Car l'image était à 18 pieds et demi du prisme ; et à cette distance la largeur de l'image étant diminuée par le diamètre du trou fait au volet de la fenêtre (c'est-à-dire d'un quart de pouce), elle sous-tendait au prisme un angle d'environ un demi-degré, qui est le diamètre apparent du soleil. Mais la longueur de l'image était d'environ 10 pouces 1/4 et la longueur des côtés rectilignes d'environ 8 pouces; et l'angle réfringent du prisme, qui produisait toute cette longueur, était de 64*. Lorsque cet angle était plus petit, la longueur de l'image était aussi plus petite, la largeur restant toujours la même. Si l'on tournait le prisme autour de son axe du côté qui faisait que les rayons sortaient plus obliquement de la seconde surface réfringente du prisme, l'image devenait bientôt plus longue de 1 ou 2 pouces ou au delà; et si l'on tournait le prisme du côté opposé en sorte qu'on fit tomber les rayons d'une manière plus oblique sur la première surface réfringente, l'image devenait bientôt 1 ou 2 pouces plus courte. Pour cet effet, en faisant cette expérience, je m'appliquais avec tout le soin possible à mettre exactement le prisme, suivant la règle mentionnée ci-dessus, en telle situation

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que les réfractions des rayons en sortant du prisme fussent égales aux réfractions qu'ils souffraient en y entrant. Le prisme dont je me servais avait quelques veines répandues dans le verre d'un bout à l'autre, lesquelles dispersaient irrégulièrement certaine partie de la lumière du soleil, mais sans contribuer pourtant à augmenter sensi* blement la longueur du spectre ou de l'image colorée : car ayant fait cette expérience avec d'autres prismes, elle me réussit de la même manière. Et en particulier, avec un prisme qui paraissait exempt de pareilles veines, et dont l'angle réfringent était de 62" 1/2 , je trouvai la longueur de l'image de 9 pouces 3/4 ou de 10 pouces, à la distance de 18 pieds 1/2 du prisme, la largeur du trou fait au volet de la fenêtre étant de 1/4 de pouce comme auparavant. Mais, parce qu'il est aisé de se méprendre à placer le prisme dans sa situation convenable, je répétai l'expérience 4 ou 5 fois; et je trouvai toujours que la longueur de l'image était telle qu'elle a été marquée cidessus....

Il parait donc qu'à incidences égales, il y a une inégalité de réfraction très considérable . Mais de savoir d'où vient cette inégalité, si c'est de ce que quelques-uns des rayons incidents sont plus rompus et d'autres moins ; et cela constamment, ou par hasard ; ou de ce qu'un seul et même rayon est confondu, dissipé et pour ainsi dire fendu et éparpillé en plusieurs rayons divergents, comme le suppose Grimaldo S c'est ce qui ne paraît pas encore par ces expériences, mais qui paraîtra par celles qui suivent.

h. Grimaldi (François- Marie), né à Bologne en 1618, mort en 1663, jésuite, professeur dans les collèges de son ordre, surtout à Bologne, découvrit les phénomènes de diffraction en examinant Fombre d'un cheveu qu'il trouva trop grande. Cette découverte est décrite dans le livre : Physico-mathesis de lumine, coloribtis et iridcy aliisgue annexiSj libri duo (Bologne, 1663). — Newton le cite à plusieurs reprises. — J. G.

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Cinquième expérience. — Considérant donc que si, dans la troisième expérience, Timage du soleil eût pris une forme oblongue, ou par une dilatation de chaque rayon, oa par quelque autre inégalité des réfractions, causée par accident, une seconde réfraction faite de côté devrait rendre cette même image tout aussi oblongue en largeur qu'elle l'était en longueur, par le moyen d'une pareille dilatation de rayons, ou de quelque autre inégalité accidentelle des réfractions faites de côté, j'essayai quels seraient les effets d'une seconde réfraction de cette espèce. Dans cette vue, ayant disposé toutes choses, comme dans la troisième expérience, je plaçai un second prisme immédiatement après le premier, mais de telle manière qu'il le croisait, pour pouvoir rompre encore le trait de la lumière solaire, lequel venait à lui au travers du premier prisme. Ce trait de lumière se rompait de bas en haut dans le premier prisme et de côté dans le second. Et j'éprouvai que par la réfraction causée par le second prisme, la largeur de l'image n'était point augmentée, mais que sa partie supérieure qui dans le premier prisme souffrait la plus grande réfraction, et paraissait violette et bleue, souffrait encore dans le second prisme une plus grande réfraction que dans sa partie inférieure qui paraissait rouge et jaune ; et cela sans que l'image fût aucunement dilatée en largeur..:.

Je mis quelquefois un troisième prisme après le second, et quelquefois un quatrième après le troisième, afin que par tous ces prismes l'image pût être souvent rompue de côté : mais les rayons qui souffraient dans le premier prisme une plus grande réfraction que le reste, en souffraient une plus grande dans tous les autres prismes ; et cela, sans que l'image fût aucunement dilatée de côté. C'est donc à juste titre que ces rayons, constants à être plus rompus que les autres, sont réputés plus réfrangibles....

Sixième expérience. — Ayant pris deux planches assez minces, je fis au milieu de chacune un trou rond d'un

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tiers de pouce de diamètre; et ayant fait dans le volet de la fenêtre un trou beaucoup plus large, pour laisser entrer dans ma chambre obscure un gros trait de lumière solaire, je mis un prisme derrière le volet au-devant de cette lumiière pour la faire tomber rompue sur le mur opposé; et justement derrière ce prisme, je fixai une de mes planches, en sorte que le milieu de la lumière rompue pût passer au travers du trou que j'y avais fait, et que le reste fût intercepté par la planche. Ensuite, à la distance d'environ 12 pieds de la première planche, je fixai l'autre planche en telle sorte que le milieu de la lumière rompue qui ayant passé par le trou de la première planche, était tombée sur le mur opposé, pût passer à travers le trou de cette autre planche, et que le reste étant intercepté par la planche pût y tracer l'image colorée du soleil. Et immédiatement derrière cette seconde planche, je fixai un autre prisme pour rompre la lumière qui passait au travers du trou. Alors je revins promptement au premier prisme, et le tournant lentement de côté et d'autre autour de son axe, je fis en sorte que l'image qui était tombée sur la seconde planche, se mouvait en haut et en bas sur cette planche, pour que toutes les parties de l'image pussent passer successivement par le trou de cette planche, et tomber sur le prisme qui était derrière. En même temps je marquai sur le mur opposé les lieux où cette lumière passait après avoir été rompue dans le second prisme; et par la différence des lieux, je trouvai que la lumière qui, après avoir souffert une plus grande réfraction dans le premier prisme, allait à l'extrémité bleue de l'image, était encore plus rompue dans le second prisme que la lumière qui allait à l'extrémité rouge de la même image, ce qui prouve la première proposition aussi bien que la seconde. Et cela se passait ainsi, soit que les axes des deux prismes fussent parallèles, ou bien inclinés l'un à l'autre, et et l'horizon, à angles donnés quelconques....

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' HbiTiÈiiE EXPÉRIENCE. — Newton reçoit sur un livre ouvert, d'abord le rouge, puis le bleu d'un spectre produit par un prisme, et cherche la position de l'image formée par une lentille convergente ; il trouve que l'image du bleu se forme 2 pouces 4/2 ou 2 pouces 3/4 plus près de la lentille que l'image du rouge. Donc le bleu est plus réfrangible que le rouge.

Neuvième expérience. — 11 fait tourner un prisme à réflexion totale et fait disparaître et apparaître les diverses couleurs.

Par une étrange erreur. Newton croit pouvoir conclure de cette expérience, la proposition suivante :

Troisième proposition. — La lumière du soleil est composée de rayons différents en réflexibilité, et les rayons qui sont les plus réfrangibles sont aussi plus réflexibles que les autres. Cela est évident par la neuvième expérience.

Plus loin (p. 105), en recherchant ce qui empêche que les télescopes (lunettes) ne soient parfaits, Newton signale avec raison la différente réfrangibilité des rayons de lumière, mais il nie à tort Tinfluence de la courbure des verres, c'est-à-dire l'aberration de sphéricité.

Proposition ^ — Toute lumière homogène a sa couleur propre qui répond à ses degrés de réfrangibilité; et cette couleur ne peut être changée ni par réflexion, ni par réfrac^ tion.

Dans les expériences décrites plus haut, après que j'eus séparé les rayons hétérogènes les uns des autres, le spectre, formé par les rayons séparés, en avançant depuis son extrémité sur laquelle tombèrent les rayons les plus réfrangibles, jusqu'à son autre extrémité sur laquelle tombèrent les rayons les moins réfrangibles, parut illuminé des couleurs suivantes dans Tordre que