DE LA LUMIERE EN GÉNÉRAL

374» Nous avons étudié jusqu’ici la matière et toutes les variétés des corps qu’elle forme , ainsi que les phénomènes que ces corps produisent sous l’influence de l’attraction , du calorique et de l’électricité. Il nous reste h examiner certains phénomènes que ces corps produisent, sans qu’on puisse s’en rendre compte par aucune des causes citées. Ces effets consistent dans la propriété que possèdent presque tous les corps de la nature de produire sur nous des impressions très fortes et très distinctes sans aucun contact direct ; en sorte que nous acquérons par un de nos sens la conscience de l’existence de ces corps , et une notion plus ou moins exacte de leur figure, de leur couleur, de leur situation dans Pespace , quoiqu’ils soient placés à une grande distance, et lorsqu’ils se trouvent dans certaines conditions indispensables.

L’organe qui reçoit ces impressions constitue le sens de la vue. La propriété que possèdent les corps d’affecter ce sens se nomme visibilité. La condition de cette propriété des corps est qu’ils soient actuellement en rapport avec

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d’autres corps que l’on nomme lumineux, et enfin la cause générale de tous ces phénomènes a été nommée la lumière.

' On peut faire et on a fait diverses suppositions sur la nature et le mode d’action de la cause qui produit la visibilité des corps. Descartes admettait qu’il y avait dans tous les points de l’espace un fluide qui n’aflectait point nos sens quand il était en repos; mais que les corps lumineux avaient la propriété de le mettre en vibration , et que ces vibrations, diversement réfléchies et combinées , produisaient tous les phénomènes de la lumière.

Newton établissait , au contraire , que la lumière était un fluide e'manant des corps lumineux, lancé ou projeté par ces corps dans l’espace, et qui, modifié dans sa marche par les corps qui le réfléchissaient ouïe laissaient traverser leur substance , donnait lieu par contact immédiat aux phénomènes que nous observons.

Le système de Newton a été presque généralement adopté par les physiciens jusqu’à nos jours, où le docteur Young et M. Fresnel, renouvelant la supposition d’un fluide préexistant dans l’espace , sont parvenus à rendre compte avec beaucoup d’exactitude, et même à soumettre au calcul les phénomènes de la lumière les plus délicats, en supposant des ondulations produites dans ce fluide préexistant.

De ces deux manières de concevoir et d’expliquer les phénomènes de la lumière, la première, qu’on a nommée système de T émission , présente une intelligence plus claire et plus facile des phénomènes vulgaires , mais se trouve en défaut dans un certain nombre de circonstances ; la seconde, qui porte le nom de système des ondulations, explique avec une grande précision les circonstances les plus minutieuses de ces phénomènes , et se prête facilement à l’application du calcul; mais elle est fondée sur des considéra-

lions de mécanique rationnelle d’une très haute portée, e^ qui rendent presque impossible son exposition sous une forme élémentaire et intelligible pour ceux qui ne possèdent pas les mathématiques transcendantes.

Heureusement les phénomènes principaux peuvent s’exposer en quelque sorte, abstraction faite de la théorie; en conséquence nous allons d’abord essayer de donner une idée de la manière dont les physiciens modernes considèrent les phénomènes de la lumière quant à leurs causes, et nous passerons ensuite à l’exposition des faits les plus importans.

On admet que toute l’étendue de l’espace est remplie d’un fluide que l’on nomme éther , dont les particules se repoussent. Néanmoins ce fluide n’est pas élastique ; la densité de ce fluide est uniforme dans tous les espaces vides , mais cette densité varie dans tous les corps dont l’intérieur est également habité par un éther plus ou moins dense, suivant l’action que les molécules des corps exercent sur lui.

Cela posé , un corps lumineux est considéré comme un corps dont les particules d’éther vibrent ou oscillent dans la position réciproque qu’elles occupent. Ces oscillations se transmettent à l’éther ambiant; elles s’étendent dans toutes les directions sous une forme sphérique , dans le cas où l’éther est homogène; au contraire, la figure des ondes cesse d’être sphérique , quand certaines parties de l’éther ont plus de densité que d’autres : c’est ce qui arrive quand les ondulations se transmettent d’un espace vide ù un espace occupé par des corps.

On conçoit que si l’on considère des ondes circulaires près de leur centre d’origine, elles seront courbées , mais que si on les considère à une grande distance de ce point, elles pourront être considérées comme planes; c’est ce qui arrive à la surface du globe aux ondes lumineuses produites par le soleil.

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*0n serait porté à croire, d’après ce que nous venons de dire, qu’il y a beaucoup d’analogie entre la manière dont se propagent la lumière et le son; il existe cependant les plus grandes dissemblances entre ces deux modes de propagation, et c’est surtout en exposant ces différences que nous espérons faire concevoir les bases fondamentales de la théorie des ondulations.

Dans la communication du son , il est démontré que le corps qui est son véhicule, l’air atmosphérique par exemple, éprouve des condensations et des dilatations alternatives suivant la longueur du rayon sonore. Pour la lumière le cas est tout à fait différent, les molécules de l’éther ne vibrent pas suivant la longueur du rayon lumineux, mais bien dans une direction perpendiculaire à cette longueur, âinsi, dans un rayon sonore, les molécules sont tantôt plus près, tantôt plus loin les unes des autres, suivant la longueur du rayon. Dans le rayon lumineux , les molécules sont tantôt à droite , tantôt à gauche de la direction de ce rayon.

Un exemple grossier tiré de la vibration des cordes rendra cette idée claire : lorsqu’une corde est tendue et qu’on la touche légèrement au quart de sa longueur, elle se divise en quatre parties qui s’agitent et forment des ventres de vibration successivement opposés les uns aux autres. On nomme vibration transversale des cordes le mode d’agitation que nous venons de décrire, et c’est ainsi que doit vibrer une ligne de molécules d’éther placée entre le corps lumineux et l’œil.

11 est possible que Pair agité par un corps sonore éprouve des vibrations transversales, mais il paraît que l’oreille n’est apte à percevoir que les vibrations longitudinales.

Il est possible que l’éther éprouve des vibrations longitudinales aussi bien que transversales, mais il paraît que

l’œil est disposé de manière à ne percevoir que les vibrations transversales.

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Il est évident que l’intensité de la lumière sera proportionnelle à la force vive dont les molécules seront animées.

Quant aux couleurs diverses , elles s’expliquent dans la théorie qui nous occupe par l’étendue plus ou moins grande de l’ondulation , et cette étendue a pu non seulement être déterminée par le calcul , mais encore mesurée avec une grande précision. La plus grande étendue qui appartient au rouge est de 0,000,620 de millimètre, et la plus petite, qui appartient à la couleur violette, est de 0,000, 423 de millimètre.

On a calculé également le nombre des vibrations qui doiyent s’opérer dans un temps donné , et on a trouvé que les molécules d’éther devaient faire 564, 000 vibrations dans un millionième de seconde.

Nous nous arrêtons ici dans cet exposé sommaire, nous réservant d’indiquer à l’occasion de chaque ordre principal de phénomènes lumineux, par quel artifice le système des ondulations peut en rendre compte.

Cela posé, nous emploierons dans l’exposé des faits l’expression de rayons lumineux et toutes les autres formes usitées du langage, sous la réserve de la définition qui dépend de la théorie.

Tous les phénomènes que la lumière nous présente constituent une science qui porte le nom d’optique. Celle science se divise elle-même en deu& parties. La première qui porte le nom de catoptrujue, s’occupe des phénomènes de réflexion de la lumière , et la seconde, qui porte le nom de dioptrie/ue, étudie les effets qui se produisent quand la lumière traverse lescorps. Mais, avant d’entrer dans l’exposé des phénomènes de détails , il est nécessaire d’examiner d’abord en général le rayonnement , ^ direction , la vitesse

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et V intensité de la lumière , et enfin ce qu’on appelle ombre.

375. Rayonnement . — Dans quelque système que l’on raisonne , il faut admettre que de chacun des points d’un corps lumineux la lumière se transmet dans tous les sens à la fois , en sorte que pour une surface d’une certaine étendue tous les rayons se croisent les uns les autres , sans se nuire ou se déranger réciproquement.

Il est très important de se faire une idée exacte de ce rayonnement; car si l’on suppose un corps d’une surface circulaire quelconque exposé au rayonnement lumineux d’un autre corps, on pourra concevoir autant de cônes lumineux qu’il y a de points dans la surface du corps rayonnant , et tous ces cônes auront pour sommet le point du départ et pour base la face circulaire du corps éclairé; et , d’une autre part, si l’on reçoit par une très petite ouverture pratiquée au volet dî’une chambre obscure la lumière envoyée par tous les points du soleil, il se formera

dans la chambre un cône lumineux dont la base ira se

projeter sur les parois opposées , et dont le sommet , légèrement tronqué , sera formé par l’ouverture elle-même. Le cône dont nous parlons ici est évidemment formé de rayons partis de tous les points de la surface du soleil qui viennent s’engager dans la petite ouverture, qui s’y croisent nécessairement , et qui vont former sur les parois l’image du soleil. Il faut soigneusement distinguer les deux genres de cônes dont nous venons de parler. Ceux dont les sommets se trouvent à la surface du corps lumineux peuvent présenter plus ou moins de divergence , suivant la distance à laquelle on se trouve de ce corps. Ceux qui se forment par la petite ouverture ont une divergence qui dépend à la fois de la distance et de l’étendue du corps lumineux.

* 376, Direction. — On admet dans le système de l’émission que les molécules qui partent de la surface d’un

corps lumineux commencent dès lors à se mouvoir dans l’espace avec une grande vitesse et toujours en ligne droite. On admet que ces molécules se trouvent, dans leur route , situées à de grandes distances les unes des autres, relativement à leur volume, ce qui permet de concevoir comment une multitude de ces files de molécules peuvent passer à la fois dans la plus petite ouverture sans s’arrêter ou se gêner réciproquement. Dans le système des ondulations, on en dit autant des lignes de molécules éthérées qui vibrent transversalement. Nous ne possédons

aucun moyen d’isoler une pareille file de molécules lumi

lieuses, ce qui constituerait véritablement un rayon de lumière, car la plus petite ouverture par laquelle on puisse obliger la lumière à passer peut encore admettre un très grand nombre de ces rayons élémentaires. En conséquence, quand on emploie l’expression de rayon Lumineux , on entend toujours le cône ou la pyramide <]ui a pour base l’ouverture ou la surface qui reçoit la lumière , et pour sommet un des points du corps lumineux. Et tout ce que l’on dit de la direction de ce rayon se rapporte exactement à l’axe de ce cône.

S’il était nécessaire d’apporter une preuve de la marche de la lumière en ligne droite , il suffirait d’interposer un corps opaque entre l’œil et le corps lumineux. Il faut seulement remarquer que non seulement la lumière marche en ligne droite, mais qu’elle se propage exclusivement de cette manière; en sorte qu’un rayon lumineux ne produit absolument aucun effet en dehors de sa direction , et que si l’on aperçoit quelquefois latéralement les rayons de soleil qui traversent une chambre obscure, cela tient à ce que l’atmosphère contient en suspension quelques petits corps opaques qui réfléchissent une portion de la lumière jusqu’à l'œil»

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Il est évident que si un petit cône de lumière vient à tomber sur une surface donnée, en partant d’un point lumineux quelconque , deux rayons extrêmes de ce cône lumineux formeront entre eux un angle qui dépendra du diamètre de la base et de la longueur du cône, ou de la distance qu’il y a entre le point lumineux et la surface éclairée. Il en résulte que tous les corps dont nous pouvons disposer, et qui envoient de la lumière sur d’autres corps voisins, produisent des rayons qui sont très sensiblement divergens, mais à des degrés fort différens, suivant les deux conditions que nous venons d’établir. Il en résulte encore que les rayons partis de la surface du soleil et arrivés jusqu’à nous produisent des angles infiniment petits, et peuvent passer pour parallèles, attendu que la distance du soleil à la terre est de plus de 33, 000,000 de lieues , tandis que les surfaces sur lesquelles nous recevons ces rayons peuvent être regardées comme infiniment petites relativement à cette grande distance.

377. Vitesse. — On a cru pendant long-temps que la lumière se transmettait instantanément d’un point à un autre , ou plutôt on était loin de soupçonner qu’elle employât un temps quelconque à parcourir l’espace. Roemer démontra le premier que la lumière n’arrivait pas instantanément des satellites de Jupiter jusqu’à nous, puisqu’on calculant la marche de ces satellites autour de cette planète, et en observant leurs éclipses derrière elle, on trouvait toujours qu’ils restaient visibles quelque temps après le moment où ils auraient du disparaître derrière la planète , et qu’ils ne reparaissaient du côté opposé que quelques instans après le moment où ils devaient être dégagés de son disque. Les différentes situations de la terre par rapport à la planète ont confirmé ce résultat , en mon-

trant que les retardemens variaient avec les distances de la terre à la planète.

Il résulte du calcul , et d’un grand nombre d’observations analogues , que la lumière emploie à peu près 8' et 1 3" à venir du soleil jusqu’à nous; ce qui suppose line vitesse ■d’environ 70,000 lieues par secondé.

Le temps nécessaire pour que la lumière parcoure ainsi les grands espaces qui séparent les corps célestes donne lieu de remarquer cette singulière proposition , que nous ne voyons jamais les objets situés dans le ciel à la place qu’ils occupent réellement , mais bien à celle qu’ils occupaient lorsqu’ils nous ont envoyé la lumière qui nous affecte actuellement; et du reste, l’étendue du monde visible est si considérable , que la lumière met probablement plusieurs années à venir des plus petites étoiles fixes jusqu’à la terre; en sorte que si l’une d’elles disparaissait aujourd’hui , nos astronomes la verraient encore pendant plusieurs années. Enfin, si nous ne savons pas quel est le maximum d’éloignement des plus petites étoiles, nous savons du moins à peu près que les plus voisines de la terre en sont assez éloignées pour que leur lumière emploie environ trois ans pour arriver jusqu’à nous.

La vitesse de ia lumière peut donner une idée de la masse des molécules qui la composent. En effet, la quantité de mouvement d’un corps est le résultat du produit de sa masse par sa vitesse ; la quantité de mouvement de la lumière paraît justement assez considérable pour affecter la membrane rétine , le plus délicat et le plus sensible de nos organes. Or, si l’on supposait aux molécules de la lumière une des plus petites masses que l’on puisse calculer, sa quantité de mouvement serait encore plus considérable que celle d’une balle de fusil. Il faut donc que les parti-

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cules de la lumière aient une masse infiniment petite pour ne pas blesser la rétine.

3^8. Intensité de la Lumière . — ■ L’intensité de la lumière est extrêmement variable , suivant la nature des corps qui la produisent. Mais la lumière produite par un corps lumineux déterminé diminue d'intensité à mesure qu’on s’éloigne de ce corps. Cette diminution a lieu en raison directe du carré des distances. Cette proposition est une conséquence géométrique du fait même du rayon-

nement. En effet , une surface circulaire éclairée présente la base d’un cône lumineux. Si l’on prolonge ce cône à une distance double, la surface de cette base deviendra quadruple; et par conséquent, si la surface primitive était transportée à cette distance double, elL ne recevrait que le quart des rayons 'lumineux qu’elle interceptait d’abord. Sans changer la distance entre la surface éclairée et le point lumineux , on peut faire changer l’intensité de la lumière. Il suffit pour cela d’incliner la surface sur l’axe du cône car alors cette surface interceptera d’autant moins de rayons lumineux qu’elle sera située plus obliquement. Il est très difficile d’apprécier les facultés illuminantes de différentes lumières , à cause de l’incertitude des jugemens qui reposent sur nos sensations. Mais on y parvient, comme nous le dirons bientôt , par la comparaison des ombres.

379. Sources de lumière . — Il existe , pour le globe que nous habitons, une source principale de lumière dans le soleil, situé au centre de notre systèmeplanétaire. Mais comme la lumière marche exclusivement en ligne dro* te, et que la terre a une forme à peu près sphérique , la moitié seulement de ce globe est continuellement éclairée par le soleil, pendant que l’autre reste privée de ses rayons. Le mouvement annuel de la terre autour du soleil, et son mouvement

journalier de rotation sur elle-même , font varier de deux manières la situation de cette moitié éclairée. Il en résulte des jours et des nuits qui peuvent être égaux et de douze heures sous l’équateur, qui peuvent être égaux et de six mois vers les pôles, et qui, dans les régions intermédiaires , peuvent être égaux dans certains temps de l’année et inégaux à toutes les autres époques.

L'obscurité complète qui devrait résulter de ce que nous nommons l’absence du soleil est corrigée par deux autres sources de lumière. La lune, en parcourant son orbite autour de la terre, et l’accompagnant dans sa marche autour du soleil , en est éclairée comme elle , et présente à la terre une surface réfléchissante qui lui envoie de la lumière , et qui nous apparaît sous des figures variées que l’on nomme phases de la lune. Cette lumière réfléchie subvient à la plupart de nos besoins dans l’absence du soleil; mais alors même qu’elle nous manque, les autres planètes, et surtout des milliers d’étoiles fixes , nous envoient sans cesse , malgré leur distance , une assez grande quantité de lumière pour prévenir une obscurité complète. Le seul cas d’une absence presque totale de lumière à la surface de la terre est celui où des nuages épais la recouvrant pendant la nuit, interceptent la faible lumière des astres.

Un grand nombre de phénomènes locaux, et que nous pouvons en général reproduire à volonté , deviennent des sources artificielles de lumière, dont nous faisons un fréquent usage. Toutes les combinaisons des corps qui s’exercent en vertu d’une grande affinité, et qui produisent en eux une condensation considérable, donnent lieu à un dégagement de lumière que nous pouvons mettre à profit pour nos besoins ou pour nos expériences. Mais c’est particulièrement la combustion qui entretient nos foyers de lumière artificielle. L’huile, la cire, les graisses, les corps

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résineux donnent beaucoup de lumière en se combinant avec l’oxigène, et d’autant plus que leur combustion est plus parfaite. Mais depuis quelque temps le gaz hydrogène per-carboné est fort employé à cet usage.

On observe comme lois générales : i° que tous les corps connus commencent à devenir lumineux aussitôt qu’on élève leur température au dessus de 5oo° du thermomètre centigrade; 9° qu'à égalité de température, les corps solides produisent beaucoup plus de lumière que les corps gazeux; aussi attribue-t-on celle qui est fournie en si grande quantité par le gaz hydrogène per-carboné aux molécules de carbone qui sont momentanément déposées dans la flamme lorsque l’hydrogène brûle le premier, suivant l’ordre delà combustibilité.

3So. De C ombre. — La lumière se mouvant exclusivement en ligne droite, et n’ayant pas la propriété de traverser certains corps , qu’à cause de cela on nomme opaques, il en résulte derrière ces corps, quand on les expose au rayonnement d’un corps lumineux, un espace privé de lumière que l’on nomme Y ombre d’un corps opaque. Cette ombre, considérée dans un espace libre, prend des formes qui dépendent des situations et des figures relatives du corps lumineux et du corps opaque.- Si le corps lumineux est un point L ( fig. 1 36 ) , et qu’on lui présente un corps opaque sphérique AB, un peu moins de la moitié de cette sphère se trouvera éclairée ; l’autre moitié sera dans l’ombre , et cette ombre s’étendra indéfiniment sous la forme d’un cône tronqué ÀBCD, dont la petite base sera représentée par AB, et la large base indéfinie.

Si le corps lumineux a un certain diamètre, et qu’on lui oppose (fig. 137) un corps sphérique opaque plus petit, un peu plus de la moitié de cette sphère sera éclairée; l’autre moitié sera dans l’ombre , et cette ombre se pro-

longera derrière le corps opaque en un cône dont AB sera la base , et dont le sommet C se trouvera placé à unadistance qui dépendra de l’écartement et des rapports de volume des deux corps.

Les deux principes que nous venons d’établir suffisent pour l’intelligence des différentes éclipses.

Si l’ombre d’un corps est projetée sur un plan (fïg. 1 38) , elle y tracera une image distincte par l’absence de lumière. Cette image affectera des formes très variées , suivant la situation et la direction du plan. On pourra toujours les déterminer en considérant le plan comme opérant la section du cône ou cle la pyramide que constitue l’ombre.

Il n’existe pas d’ombre absolue, c’est à dire dans laquelle il y ait absence totale de lumière; car l’espace qu’occupe l’ombre déterminée par un corps lumineux quel-* conque se trouve habituellement pénétré par des rayons de lumière qui proviennent, en plus ou moins grande quantité , de tous les corps environnons. Aussi remarque-t on que, quoique l’ombre paraisse généralement noire, elle est toujours plus ou moins colorée.

L’intensité de l’ombre est toujours proportionnelle à l’intensité de la lumière, puisqu’elle résulte, pour notre oeil, de la comparaison des points éclairés avec ceux qui ne le sont pas. Cette propriété a fourni le moyen de mesurer l’intensité comparative de différentes lumières ; car on peut toujours projeter sur un plan , l’une à côté de l’autre, deux ombres produites par deux lumières différentes ; et quand ces deux ombres paraissent également noires, on peut en conclure que les deux lumières sont égales en intensité. Si donc on veut comparer, par exemple , la lumière d’une bougie avec celle d’un quinquet , on déterminera, sur une surface blanche, la projection des ombres