II. Identité de la chaleur et de la lumière
Une des lois générales de la lumière, qui réalise un progrès considérable dans la physique moderne, est Videntité de la chaleur et de la lumière. Nous expliquerons d'abord le sens de cette loi, en montrant sur quelles observations elle est fondée.
Prenons pour source de lumière le soleil ; considérons plusieurs corps terrestres, et imaginons les lignes droites allant de chacun d'eux vers le soleil. Pendant la nuit, le globe terrestre se trouve interposé sur ces lignes et le soleil n'a pas d'action sur les corps. Mais comme la terre tourne autour d'un de ses diamètres, elle abandonne bientôt ces lignes et à cet instant le jour commence au lieu considéré. Supposons qu'il n'y ait aucun nuage, aucun obstacle sur les lignes qui vont des corps au soleil, voici les phénomènes qu'on observera.
Les corps, devenus visibles, se distinguent les uns des autres par leurs formes, leurs positions, leurs volumes, et aussi par leurs couleurs et
leurs aspects ; ce sont ces derniers caractères qui doivent fixer notre attention .
Chacun des corps éprouve une modification superficielle, de laquelle résulte la couleur. Elle est évidemment due à l'action du soleil, et comme cette action s'exerce suivant les lignes droites allant des corps au soleil, on appelle ces lignes rayons lumineux; on dit que les rayons solaires tombent sur le corps. D'autre part, comme Tceil de l'observateur voit la surface du corps, pourvu qu'il n'y ait aucun obstacle sur la ligne droite qui les joint, il est naturel de dire que le corps agit sur l'œil en vertu de la modification que les rayons solaires lui ont fait subir, et qu'il envoie des rayons à son tour. Le mot réflexion représente cette sorte de phénomène. Nous avons donc à distinguer les rayons incidents^ qui sont les chemins suivis par une activité particulière émanée du soleil, et les rayons réfléchis qui conduisent une activité émanée du corps éclairé aux corps environnants. Le corps éclairé est ainsi une source temporaire de lumière, tant qu'il est soumis à l'action du soleil; mais il imprime à la lumière qu'il envoie par réflexion un caractère particulier, qui dépend de sa surface. Pour abréger le langage, on dit que les rayons réfléchis différent des rayons incidents, et on attribue au rayon les qualités qui appartiennent en réalité à la lumière qui suit sa direction. C'est donc dans un sens figuré que doivent être prises les phrases telles que celles-ci : un corps rouge en-
voie des rayons rouges ; un corps bleu envoie des rayons bleus, etc.
La réflexion dont nous parlons en ce moment s'effectue dans tous les sens à la surface des corps ; on l'appelle réflexion irrégtUière ou diffusion. Il y a en effet une seconde sorte de réflexion en vertu de laquelle les corps polis présentent un éclat trcs-vit, quand l'observateur est convenablement placé.
Considérons, parmi les corps exposés au soleil, une plaque de métal parfaitement poli. En le déplaçant peu à peu, on pourra lui donner une position telle que l'on voie une image éclatante du soleil derrière ce plan, dans la direction des rayons qu'il envoie à l'œil. De plus, un corps quelconque, mis à la place de l'œil, sera fortement éclairé par le plan. Les rayons réfléchis qui produisent cet effet ont des directions déterminées par rapport à celles des rayons incidents (comme le représente la figure 16). Le rayon incident et le rayon réfléchi qui se correspondent sont dans un même plan perpendiculaire à la surface réfléchissante, et de plus ils sont également inclinés sur cette surface. Telle est la loi de la réflexion régulière ou spéculairej qui sert à expliquer tous les effets des miroirs.
Il est à remarquer que les rayons réfléchis régulièrement ne subissent pas de la part du miroir les mêmes modifications que les rayons diffusés. Ils sont à peine colorés, lors même que le miroir est formé par une substance qui paraît fortement colorée par diffusion. Ainsi les rayons solaires ré-
fléchis régulièrement par une plaque d'or poli son! presque incolores, et pourtant la couleur de For vu par diffusion seulement, celle de l'or en poudre impalpable, telle qu'on peut l'obtenir par les procédés chimiques, est le rouge.
Voici maintenant ce que nous observerons derrière les corps.
Les uns projettent une ombre, ce sont les corps opaques ; les rayons solaires ne les traversent pas. Avec un corps noirci par de la fumée, la réflexion régulière est nulle, la diffusion elle-même est trèsfaible : presque toute l'activité des rayons solaires semble anéantie dans le corps.
Les autres envoient des rayons plus ou moins différents des rayons incidents. Tantôt ces rayons sont transmis dans tous les sens, et présentent une couleur distinctive ; c'est le phénomène de la rifrattion irrégulière ou diffusion par trapsmissian; les corps qui le présentent sont appelés translucides; tel est le verre dépoli. Tantôt les rayons sont transmis dans des directions déterminées, et il y a une loi géométrique entre la direction du rayon transmis et celle du rayon incident qui lui correspond, c'est la réfraction régulière; les corps qui la produisent sont appelés transparents : tel est le verre poli.
Les corps translucides et transparents se distinguent les uns des autres par les modifications qu'ils impriment à la lumière. Lorsque les rayons transmis sont semblables aux rayons incidents, le corps est incolore. Lorsque les rayons transmis sont colo-
és, le corps est lui-même coloré. Par exemple, une euille mince d'or présente la couleur verte par ;ransmission ; nous avons vu qu'elle présente la îouleur rouge par réflexion.
Enfin, pour compléter nos observations préliminaires, examinons Faction du soleil sur des corps ;ransparents dont la surface est anguleuse, par exemple sur une carafe pleine d'eau. Les rayons ransmis sont irisés comme Tarc-en-ciel, et offrent K>uvent à l'observateur un magnifique spectacle. )n appelle dispersion ce genre de phénomènes.
Que résulte-t-il de Tensemble des faits que nous renons de reconnaître? Dans le cas où l'action du ioleil sur le corps est la plus complexe, il y a des ayons émis par le corps, soit par réflexion, soit >ar réfraction. Ces deux sortes de rayons diffèent entre elles , de même qu'elles diffèrent des ayons incidents : les différences dépendent de la ature du corps.
Il faudrait étudier attentivement chacun de ces hénomènes pour en trouver les lois particulières. el n'est pas lobjet de cet ouvrage, et nous choisions parmi les faits connus ceux qui font le mieux aisîr les rapports de la chaleur et de la lumière. fous devons maintenant recourir aux expériences, mployer des appareils qui isolent les phénomènes, fin que nous puissions les observer avec détail, îous nous occuperons d'abord de la dispersion.
Vers le milieu du dix-septième siècle. Newton, ilors professeur à l'université de Cambridge, ré-
péjant la célèbre expérience du spectre solaire, ep découvrit les lois. Au volet d'une chambre obscure, on perce une petite ouverture, et on dirige sur cette ouverture un faisceau de rayons solaires réfléchis horizontalement par un miroir placé hors de la chambre. Les poussières qui sont on suspension dans F air sur le trajet du faisceau réfléchissent çà et là les rayons et rendent le faisceau visible de toutes les parties de la chambre. Le faisceau rencontre un prisme de verre, dont l'un des angles est tourné vers le bas, près du sommet de cet angle. Les rayons transmis par le prisme sont déviés vers le haut, et s'étalent en éventail avec de magnifiques couleurs. En recevant ces rayons sur un écran blanc, on distingue les couleurs suivantes ^ :
Violet^ indigo, bleu^ vert, jaune, orangéy rouge.
On conclut de celte expérience que les rayons solaires sont composés de sept groupes de rayons distincts, qui arrivent du soleil, mêlés ensemble dans certaines proportions. Les rayons de chaque groupe ont pour caractères distinctifs la couleur qu'ils peuvent produire par leur action sur l'œil, et la déviation qu'ils éprouvent par la réfraction. Cette déviation va en croissant du groupe des rayons rouges au groupe des rayons violets; on dit que la réfrangihilité des rayons croît depuis le rouge jusqu'au violet.
* Voy. la description et h figure de ces expériences dans //' Ciialeur (ÏUbl. des Merveilles.)
Là lumière il3
lies rayons de chaque groupe sont dits simples^ parce qu'il est impossible de les décomposer en rayons de couleurs différentes, comme on le prouve en faisant tomber sur un second prisme un pinceau de lumière provenant de l'un des sept groupes sortis du premier.
La loi de la composition de la lumière solaire a été soumise par Newton à un grand nombre d'épreuves qui l'ont justifiée, et elle est l'expression d'une vérité physique indépendamment de toute hypothèse sur la nature de la lumière.
Nous avons vu dans le chapitre précédent que la chaleur se réfléchissait et se réfractait comme la lumière. Or le soleil est une source puissante de chaleur. Nous pouvons donc imiter avec les rayons de chaleur l'expérience du spectre solaire. Pour décomposer les rayons calorifiques émanés du soleil, on se sert d'un prisme de sel gemme, et on reçoit les rayons à la sortie du prisme sur une petite pile thermoélectrique, qui présente une face trèsétroite. Onlaplacesuccessivemenl dans les sept groupes de rayons lumineux. Voici ce qu'on observe : la chaleur réfractée croit depuis le violet jusqu'au rouge; si l'on porte ensuite la pile au delà du rouge, toujours sur le prolongement du spectre, on trouve encore de la chaleur, et elle est plus intense que celle qui se trouvait dans le spectre. On conclut de là que les rayons calorifiques du soleil sont décomposables en rayons simples, distincts les uns des autres par leur intensité et leur réfrangi-
bilîlé, et que le prisme de sel gemme donne un spectre calorifique en partie superposé au spectre lumineux, mais beaucoup plus étalé.
Faut-il admettre que les rayons calorifiques et les rayons lumineux sont simplement juxtaposés, qu'ils ont chacun leur individualité ^ ou bien que chaque rayon émané du soleil apporte uneîactiyité unique qui produit à la fois la chaleur et la lumière?
Pour résoudre cette question, on^a mesuré avec précision les modifications que subissent les rayons calorifiques et les rayons lumineux, lorsqu'ils sont réfléchis ou réfractés, dans une foule de circonstances, et on a reconnu que toute modification d'un rayon lumineux entraine une modification identique dans le rayon calorique concomitant. Aui phénomènes variés de l'optique corrrespondent des phénomènes de chaleur suivant exactement les mêmes lois, de sorte qu'il n'y a aucune raison de supposer que les rayons de chaleur et de lumière soient distincts.
Au contraire, tout s'explique et s'enchaîne avec une remarquable simplicité, lorsqu'on admet l'wtentité des deux sortes de rayons.
Un rayon simple, suffisamment réfrangible, apporte aux corps la chaleur et en même temps les rend aptes à produire les effets lumineux, c'est-àdire à agir sur notre œil d'une manière déterminée. Ainsi un rayon rouge simple détermine dans un bloc de verre ordinaire une modification telle, que
ce dernier devient le lieu de phénomènes calorifiques, et qu'en outre son action sur notre œil y cause la sensation de la lumière rouge. Un rayon plus réfrangible que le rouge produit moins de chaleur, et une autre couleur. Un rayon moins réfrangible au contraire produit plus de chaleur ; mais la modification du corps n*est plus capable de lumière. Le corps subit toujours le même genre de modification, quel que soit le rayon incident; mais les modifications ont divers degrés, et c'est seulement de leur degré que dépend la sensation optique. En d'autres termes, notre œil n'est impressionnable que par les rayons suffisamment réfrangibles.
Les efforts des physiciens doivent évidemment tendre à découvrir quelles sont les modifications moléculaires que subissent les corps, dans les phénomènes de la chaleur et de la lumière. Mais cette recherche ne peut être entreprise à Taide des expériences directes; il faut avoir recours au raisonnement, imaginer un état moléculaire capable de produire les phénomènes observés , et regarder la théorie ainsi édifiée comme une hypothèse provisoire. Il importe de remarquer le caractère conjectural de ce genre d'explications.
II est probable que les molécules d'une source de lumière possèdent un mouvement périodique assimilable à une oscillation, et que le rayonnement d'une source vers un corps est une action pouvant s'exercer à toute dislance, grâce à un inter-
mëdiaire inconnu, et excitant dans le corps un mouvement analogue à celui qui a lieu dans la source. Nous verrons dans le dernier chapitre comment une hypothèse permet d'enchaîner entre eux les phénomènes de la réflexion, de la réfraction, delà dispersion, et en général tous ceux qui dépendent de la lumière. Mais lorsqu'on veut s'abstenir de toute hypothèse, il faut simplement énoncer comme des vérités physiques les propositions suivantes :
Les rayons de chaleur et de lumière sont de diverses espèces ; la variété des sources s'expliqae alors par la divereité des rayons. qui en émanent; le moyen d'étudier expérimentalement cette dive^ site consiste à décomposer le mélange de rayons venus de la source à l'aide d'un prisme. Ainsi lorsqu'on reçoit sur un prisme la lumière d'une source autre que le soleil, on ne trouve habituellement au delà du prisme que certains groupes de rayons, le spectre offre l'apparence d'un spectre solaire dans lequel on aurait supprimé quelques parties et renforcé quelques-unes des autres.
Les rayons d'une source rencontrant un corps, celui-ci acquiect et conserve une certaine quantité d'énergie ; puis il émet des rayons vers les autres corps, soit par^ réflexion, soit par réfraction, df sorte que le reste de l'énergie venue de la source se trouve transmise parle corps. Les rayons absorbés, réfléchis, réfractés, sont d'espèces et en proportions différentes, suivant la nature de la source el
celle du corps ; la direction des rayons réfractés en dépend aussi.
On exprime simplement ces faits, en disant que tel corps a un pouvoir absorbant, un pouvoir réflecteur, et un pouvoir transmissif, qui sont tous les trois déterminés pour chaque sorte de rayons. Ce langage a l'avantage de rappeler les faits observés, sans qu'on ait besoin de se figurer la constitution des corps, ce qui suffit pour les applications de la physique.
Ainsi le verre ordinaire absorbe les rayons obscurs, ceux qui sont moins réfrangibles que le rouge, tandis qu'il transmet, sans absorption notable, les rayons lumineux. Les verres colorés absorbent certaines espèces de rayons lumineux et transmettent les autres. Un verre rouge, recevant les rayons solaires, absorbe tous les rayons autres que le rouge. Les corps opaques absorbent toute espèce de rayons lumineux, au moins quand ils ont une épaisseur assez gi^ande ; car des lames trèsminces de tels corps sont transparentes.
Tout ce qui vient d'être dit relativement à la lumière nous apprend que les sources lumineuses sont des centres d'activité, qui créent l'énergie sous la forme de chaleur, et qui la rayonnent ensuite vers les corps environnants, dans lesquels elle se distribue et se transforme. Sous l'influence de celte activité, des rapports particuliers s'établissent entre tous les corps de la nature ; on peut dire que leur rayonnement est une révélation mutuelle. L^ focvi^
qui met ainsi en mouvement les molécules des corps, à des distances immenses de la source, a un caractère bien distinct de Tatlraction. Outre la variabilité de son intensité, qui peut être temporairement suspendue, augmentée ou diminuée, elle diffère encore de l'attraction par son action révélatrice. C'est grâce à son intervention que nous avons la connaissance des corps que nous ne pouvons approcher, que nous pouvons contempler et étudier les splendeurs de l'univers.
m. Transformations deTénei^ie opérées par les rayons solaires.
Mais en laissant de côté le point de vue subjectif, arrêtons-nous pendant quelques instants d^ vant le magnifique spectacle du mouvement engendré par le rayonnement solaire sur les corps terrestres. Suivons quelques-unes des transformations qu'il détermine, en prenant pour exemples les phénomènes lumineux dont la variété est infinie, et dont les lois sont plus accessibles à notre investigation que celles des phénomènes calorifiques, grâce à la sensibilité exquise de l'organe que Dieu nous a donné.
Déjà nous avons vu quel rôle important joue l'énergie retenue par les corps sous forme de chaleur sensible ou de travail moléculaire. L'énergie créée dans le soleil est portée parles rayonsdecet iisfre jusqu'aux dernières particules des corps; elle
y apparaît sous forme de travail, dans la fusion, la vaporisation, la dissociation; elle s^y manifeste par une rupture de l'équilibre des atomes, laquelle est suivie de nouveaux arrangements, de nouvelles aptitudes chimiques dont la photographie nous donne un merveilleux exemple. Sous Tinfluence de cette énergie, des transformations innombrables s'accomplissent dans les tissus des végétaux, et quelquefois ces transformations ont pour résultat de retenir l'énergie pendant de longues suites de siècles. C'est ainsi que la houille enfouie dans les couches profondes du sol, tient l'énergie en réserve depuis un nombre incalculable de siècles. Dans les âges géologiques passés, d'immenses forêts s'étendaient sur la terre, et les rayons solaires y accomplissaient le travail moléculaire qui fournissait aux v^ètaux le carbone et l'hydrogène nécessaires à rélaboration de leurs tissus. Puis plus tard, les circonstances ayant changé, ces végétaux se sont trouvés recouverts par les eaux, et de leur destruction sont résultées les houillères. Aujourd'hui lorsque nous brûlons ces combustibles, nous utilisons une partie de l'énergie créée par le soleil il y a des milliards de siècles. C'est encore, sous une nouvelle forme, la conservation de l'énergie ; toute Pénergie actuellement en réserve dans les corps terrestres sera peu à peu mise en activité et employée intégralement à de nouvelles transformations.
Quant à l'énergie transmise par réflexion ou réfraction, elle va opérer dans les corps qui ne sont
pas soumis à raclion directe du soleil des transformations analogues, et c'est par cette transmission que s'établit une tendance à Téquilibre entre tous les corps. L'attraction universelle r^le leiffs distances; le rayonnement règle la quantité d'éner^ gie que chacun d'eux possède à chaque instant: mais pendant les déplacements qu'ils subissent en obéissant à l'attraction, leur quantité d'énergie varie à chaque instant, de sorte que l'équilibre ne s'établit jamais et que le soleil est une cause incessante de mouvements dans leur intérieur.
Parmi les phénomènes lumineux, ceux qui frappent le plus souvent l'attention s'expliquent par les lois de la réflexion, delà réfraction et de la dispo^ sion. Les jeux de lumière que nous aimons à conicmplcr sont habituellement des conséquences rationnelles de ces lois ; ils dépendent des formes, de l'état des surfaces éclairées, des absorptions flcctives que les corps exercent sur tel ou tel-groupe de rayons lumineux. Nous choisirons comme exeiftple l'arc-en-ciel, dont l'explication est due à Newton, et qui réalise un immense spectre solaire.
