L’HISTOIRE DE L’OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE

L’HISTOIRE DE L’OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE

 MÉMOIRE :

Plan de travail :

 l.   1ère partie : historique

      1-1) la lumière et son importance vitale.

      1-2) les débuts de l’optique :

              a- chez les philosophes grecques.

               b- chez les musulmans.

                c- chez les chrétiens.

     Introduction:

    L’optique étudie les phénomènes lumineux, c’est-à-dire principalement les phénomènes perçus par l’œil. La cause de ces phénomènes est la lumière car pour être visible un objet doit faire parvenir de la lumière à l’œil. Un tel objet est source de la lumière ou éclairé par une source. On distingue les corps transparents des corps opaques suivant qu’ils laissent ou pas passer la lumière.

   On distingue 2 branches de l’optique :

oL’optique géométrique traite les rayons lumineux.

oL’optique ondulatoire traite des phénomènes vibratoires : diffraction, interférence …

l. Historique de l’optique géométrique :

1-1) la lumière et son importance vitale :

   les hommes ont toujours été intrigués par la nature de la lumière, longtemps restée liée à l’œil qui la perçoit. La lumière n’est pas de la matière, mais il provient de la matière. La nature de la lumière a  fait l’objet depuis toujours de débats passionnés. Les réponses qui ont été proposées sont aussi nombreuses qu’ingénieuses, cependant notre compréhension actuelle de la lumière n’est pas encore satisfaisante : « nous saurions beaucoup de choses, si nous savions ce qu’est un rayon lumineux. »(Louis de Broglie, Prix NOBEL 1929).

    L’optique, science de la lumière et des images, est l’étude des propriétés  de la lumière et de l’ensemble des phénomènes lumineux perçus directement par l’œil (optique vient du grec ‘optikos’ signifiant relatif à la vue). L’optique est la partie de la physique qui traite des propriétés de la lumière et des phénomènes de la vision .  

L’importance de la lumière dans la vie quotidienne :

    La lumière s’affirme comme un phénomène d’exception : elle est l’un des éléments essentiels et permanents dans notre vie, elle est associée à une notion d’évidence et de simplicité.

    nous voyons grâce à la lumière, définie comme l’agent physique permettant de percevoir les formes et les couleurs, c’est-à-dire de prendre connaissance du monde extérieur. L’homme a mis très longtemps pour commencer à comprendre les phénomènes visuels qu’ils exploitent quotidiennement .

la lumière se déplace de l’objet à l’œil : elle transporte des informations relatives à l’objet. indépendamment du mécanisme d’émission, l’œil donne une image de cet objet.

   l’œil est le plus perfectionné de tous les récepteurs, par ça capacité à recevoir une très grande quantité d’informations qui sont décodées par le cerveau (cortex visuel), sous formes d'images .il nous est ainsi permis d’appréhender le monde extérieur par la vision des formes et des couleurs .

1-2)les débuts de l’optique :

     -chez les philosophes grecques :

   Depuis l’antiquité, la lumière a toujours fasciné l’esprit humain par ses aspects multiples et son caractère mystérieux. Elle est apparue Dans l’histoire 4 000 ans avant Jésus-Christ avec les sumériens qui utilisaient la lumière et les astres pour prédire le quotidien et pour concentrer la lumière afin de créer du feu. Vers 2 500 avant J.C. les miroirs de métal polis étaient déjà connus et l’usage du verre commença à se répandre. Les peuples khmers, chinois et mayas se livraient même à des calculs et inventaient des instruments d’observation astronomiques des « lumières célestes ».

En fait, ce n’est qu’à partir du Ve siècles avant J.C. en Grèce qu’un début de réflexion scientifique est apparu lorsque des penseurs commencèrent à se poser des questions sur l’origine des objets qui les entouraient, leur classement, leur constitution, leur production et leur manifestation. Ainsi, Empédocle (-490, -430) a imaginé que la nature était constituée de 4 éléments principaux : l’air , l’eau , le feu et le sable dont chacun présente deux des quatre caractéristiques fondamentales : le froid, l’humide, le chaud et le sec. Plus tard, Démocrite (-460, -370) a proposé une vision atomiste, ou tout est constitué de petits éléments insécables appelés atomes. A cette époque déjà, la classification d'Empédocle a été réduite à deux types d’objets, la matière et la lumière ;la matière étant faite de corpuscules parfaitement localisables alors que la lumière est sujette à de nombreuses tergiversations .

D’autres manifestations telles que le son, étaient également appréhendées aussi bien dans la façon de les produire que dans l’analyse de leur nature.

§Pour les Pythagoriciens (VIe siècle av. J.C.): chaque individu possède un feu intérieur et l’œil émet un « quid » qui part vers l’objet et lorsqu’il le touche, provoque la vision.§Pour Platon (-428, -348): une situation intermédiaire entre les précédentes est envisagée, elle consiste en la rencontre de 2 particules, l’une émise par l’œil, l’autre par l’objet observé. Il en résulte une substance unique et homogène qui transmet l’information jusqu’à « l’âme ».Les idées se développent ensuite avec le recours au fait expérimental et les progrès réalisés par Sénèque et Galien dans l’étude de l’œil ont permis à Ptolémée (90, 168) d’énoncer à Alexandrie en 140 après J.C. 

Les premières lois de l’optique géométrique concernant la réflexion ainsi qu’une ébauche de théorie des lois de la réfraction et aussi la notion d’axe visuel autour duquel la vision se concentre .

      -chez les musulmans arabes :

  les progrès vinrent d'Égypte grâce aux travaux du grand savant arabe Ibn Al-Haytham dit Alhazen (965 – 1039). Ibn Al-Haytham est né à Bassora en Irak et c’est en Égypte, sous le règne    du calife fatimide Al Hakim qu’il démarra sa   carrière. Surnommé le second Ptolémée, Ibn Al-Haytham fut à la fois mathématicien, physicien  ,philosophe et médecin et fut, à ces titres, l’auteur d’une centaine d’ouvrages et de plusieurs 

découvertes. Il étudie l’œil et la réfraction et établit une véritable théorie corpusculaire de la lumière.

Pour lui, la lumière est émise par l’objet lumineux indépendamment de l’observateur et sa propagation dépend du milieu qu’elle traverse. Son explication du phénomène de la réfraction ainsi que les lois de la réfraction furent à la base des travaux, six siècles plus tard, de Kepler et de René Descartes. Ibn Al-Haytham est arrivé à la conclusion que la réfraction de la lumière est due à des rayons lumineux qui se propagent à des vitesses différentes dans des matériaux différentes. Ibn Al-Haytham affirma que la lumière était une « émission primaire » et envisagea une « émission secondaire » provenant de ce qu’il appela une « source accidentelle ». La lumière émanant d’une telle source est émise « en forme de sphère ».


Ibn Al-Haytham introduisait aussi le concept de ‘rayon lumineux’ tout en lui donnant une représentation bien physique. Il découvrit le phénomène de la chambre noire comme il s’intéressa aux miroirs concaves et convexes ainsi qu’aux surfaces polies tout en étudiant avec rigueur la réflexion sur ces surfaces.

     L’ensemble de l’œuvre de Ibn Al-Haytham révéla la naissance et la puissance du physicien moderne. Son œuvre portant à son apogée de la physique arabe, fut une référence incontournable pour la physique de l’Occident au sortir des ténèbres du Moyen-Âge.

-chez les Chrétiens :

§Galillée (1564-1642) : décrit pour la 1ère fois des   méthodes de mesure de la vitesse de la lumière.  Ses tentatives échouent mais ont le mérite de donner à penser qu’il ne croyait pas trop a l’existence d’une vitesse infinie. La nature de la lumière ne semble pas trop le préoccuper

§René Descartes (1596-1650) : fait connaitre les lois  de la réfraction établie par Snell (1591-1626). Mais    ces théories de la lumière sont confuses et pleines   de contradictions. Il semble que la notoriété de l’écrivain philosophe leur ait donné une importance excessive. Pour Descartes, en effet, la lumière résulte   de frottements entre tourbillons qui font naître de la lumière qui se propage avec une vitesse infinie. Mais  la réflexion est envisagée comme le rebond d’un projectile et la réfraction comme la traversée par ses projectiles d’une toile tendue qui les accélère si le 2ème milieu est plus réfringent. Le XVIIème siècle aura beaucoup de mal à se débarrasser des tourbillons de Descartes; ce sera l’objet d’un des premiers écrits de Newton .

§Fermat (1601-1665) : retrouve les lois de la réfraction à l’aide du principe de moindre temps. Mais les difficultés qu’ont éprouvées ses contemporains à lier son principe aux autres théories   font que Fermat aura moins d’influence qu’en mathématiques  ou il fut une nouvelle notoriété . 

§Grimaldi (1618-1663) et Malebranche (1638-1715) : tous les deux disciples de Galilée et Descartes croyaient fermement en la nature ondulatoire de la lumière. Le premier a même essayé d’interpréter les franges de diffraction ainsi que la décomposition de la lumière blanche . 

    §Christian Huygens (1629-1695) : s’affranchit des théories cartésiennes et proposa l’idée que l’univers est rempli de particules dont les mouvements oscillatoires se transmettent de proche en proche. L’ensemble des particules qui vibrent en même temps constitue une ondelette; l’enveloppe des ondelettes forme l’onde lumineuse. Cette onde est longitudinale. Une telle théorie est visiblement inspirée par les rides qui se forment à la surface de l’eau . Elle a permis a son auteur d’expliquer les phénomènes de réflexion, de réfraction, et même de double réfraction de la lumière par la calcite découverte par Bartholin (1625-1698) n’avait pas une idée très claire des phénomènes d’interférence et plus généralement des relations de phase. Cela rendit sa théorie parfois obscure. Il a une bonne idée du principe dit Huygens – Fresnel qui ne sera démontré que beaucoup plus tard par Kirchhoff. Curieusement, Huygens envisagea également l’existence des particules et les rapports qu’il cherche entre celles-ci et les ondes ont des résonances étrangement brogliennes . 

   §Isaac Newton (1642-1727) : réalisa le 1er télescope et étudia la décomposition de la lumière par un prisme. Il étudia  aussi la lumière émise par les fours, effet connu aujourd’hui sous le nom de « rayonnement de corps noir » et qui le préoccupera fortement. Il pensait aussi que la lumière est constituée de corpuscules qui se propagent plus vite dans un milieu transparent que dans le vide et l'hypothèse de la nature ondulatoire lui parait fantaisiste. Pourtant les expériences qu’il réalisa (anneaux d’interférences) ou la façon dont il les envisagea (réflexions multiples sur des vitres) plaidaient plutôt en faveur de cette hypothèse. En outre, newton est l’auteur de la théorie ondulatoire du son, mais pour la lumière, il préféra compliquer sa théorie corpusculaire en envisageant des actions instantanées à distance entre surfaces réfléchissantes et essaya en vain d’interpréter des phénomènes de nature ondulatoire avec des corpuscules lumineux. Parmi ses contemporains seuls Hooke et Euler rejetèrent cette théorie. 

§Thomas Young (1773-1829) : réalisa une série d’expériences dont celle qui porte son nom. le fait que les 2 rayons lumineux réfractés par un cristal de calcite ne donnent pas d’interférences lui fait supposer que la lumière est une vibration transversale. 

§Fresnel (1788-1827) : démontre que son propre principe d'interférences et que le principe de Huygens sont tous les deux en mesure d'expliquer la propagation linéaire de la lumière mais également les effets de la diffraction. Pour obtenir une corrélation avec les résultats pratiques, il émet des suppositions arbitraires concernant la phase et l'amplitude des secondes vagues d'une manière    détournée. Ces suppositions n'ont aucun fondement  physique évident mais peuvent cependant mener à des prévisions qui corroborent les résultats de nombreuses  observations expérimentales, notamment la Tache de Fresnel. 

 REMERCIEMENTS

Nous remercions toutes les personnes qui nous ont aidé à la réalisation de ce projet .

Présenté par :•Aâya Zakariyae