A propos de la nature de la lumière, on entend tout et son contraire. Elle est parfois décrite comme une onde et parfois comme un courant de grain de lumière (les photons). Quelle description est la bonne ? Qui a raison ? Qui a tort ?

Cette question est cruciale dans tous les systèmes de pensées scientifique puisqu’elle permet de comprendre la façon dont on appréhende le monde. Ainsi, pour les atomistes grecs les objets émettaient des particules reproduisant la forme des objets de manière réduite dans notre oeil. Pour Euclide et les pythagoriciens, c’est notre oeil qui émet un « quid » et permet la vision. Cette description sera réfutée par Aristote car alors nous pourrions voir les objets la nuit, même en l’absence de lumière. Cependant, c’est du côté de l’Egypte que l’optique géométrique a été minutieusement étudiée avec les travaux d’Alhazen (Ibn Al-Haytham). Dans son livre « Les trésors de l’optique » (écrit entre 1015 et 1021, traduit en latin en 1572), il décrit la lumière de manière mécaniste, comme un flux de sphères pesantes, émis de sources ponctuelles en des rayons rectilignes, susceptibles d’être réfléchies, réfractées et perçues par l’oeil. Son livre traite également des lentilles (incluant l’oeil), des miroirs plans et curviligne, des couleurs et de la camera obscura (Une boîte noire percée d’un trou : le principe de la chambre noire). Son approche expérimentale et mathématique restera inégalé pendant 500 ans.

Le XVIIème siècle verra se développer une description minutieuse de ce que l’on appelle actuellement l’optique géométrique (avec les travaux de Képler, Galilée, Bacon et Descartes). En 1665, Francesco Maria Grimaldi décrit le phénomène de diffraction, de sorte qu’à la fin de ce siècle 2 modèles de la lumière se dispute le haut du pavé : le modèle corpusculaire de Newton et le modèle ondulatoire de Huygens.

Selon Newton, la lumière est constituée de corpuscules soumis à l’action des forces. Cela permet d’expliquer le comportement de la lumière comme on l’observe en optique géométrique : réfraction (changement de direction de la lumière lors de la traversée des milieux transparents), réflexion (comme pour un miroir) et modification du trajet de la lumière par les lentilles. En observant le phénomène de dispersion par un prisme (tel qu’il est étudié en classe de 2de), il en déduit que ces corpuscules sont de différents types, correspondant aux différentes couleurs perçues par l’oeil.

De son côté, Huygens, réfute ces idées en invoquant le fait que 2 pinceaux de lumière se croisant ne sont pas déviés. Il propose un modèle ondulatoire en 1678 dans lequel la lumière serait une perturbation d’un milieu, comme le son ou les vagues. Le milieu de propagation de la lumière est appelé Ether. En postulant le ralentissement de la lumière dans les milieux transparents, il propose même un modèle pour expliquer les phénomènes de réfraction et réflexion.

Ces deux modèles sont convaincants, bien que contradictoires, et permettent d’expliquer les observations de l’optique géométrique. Cependant, ils divergent sur la façon dont la lumière interagit avec la matière : pour Newton, la lumière va plus vite dans un milieu de fort indice, tandis que pour Huygens, c’est l’inverse. Avec les moyens expérimentaux de l’époque, il était impossible de déterminer quel modèle avait raison ou non. Il fallut attendre les expériences de Foucault (1850) et Fizeau (1851) pour déterminer la vitesse de la lumière dans l’eau qui donnèrent raison au modèle de Huygens.

Ainsi, à partir du milieu du XIXème siècle, les scientifiques furent convaincus que la lumière était une onde. Il restait à déterminer dans les propriétés du milieu dans lequel se propageait cette onde (voir l’article sur la ola) : l’éther. C’est dans cette optique que Michelson et Morlay (en 1887) proposèrent une expérience qui est devenu maintenant un classique des classes prépa. Le lien avec l’éther est relativement simple : si la lumière se propage dans un milieu nommé éther, alors la terre se déplace dans ce milieu à la vitesse de 30 km/s lors de son périple autour du soleil. Dans ces conditions, selon la loi d’additivité des vitesses, la vitesse de la lumière ne devrait pas être la même dans toutes les directions sur terre. L’expérience de Michelson et Morlay permit une mesure très précise de la différence de vitesse de la lumière dans deux directions perpendiculaires : ils découvrirent qu’il n’y en avait pas ! La vitesse de la lumière est la même dans toute les directions (idée à la base de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein), ce qui est en contradiction avec l’idée d’un milieu de propagation de la lumière. La lumière est donc bel et bien une onde mais non matérielle, qui correspond à une perturbation du vide lui-même !

Il peut sembler paradoxale d’imaginer une perturbation du vide. Cela serait impossible dans le vide absolu. Mais quand on parle de vide, on parle en fait de vide de matière, pas d’énergie. Dans un vide de matière, on peut trouver de l’énergie sous forme de champ électromagnétique. C’est ce que découvrirent les scientifiques de la fin du XIXème siècle (avec les travaux expérimentaux de Faraday) et Maxwell (en 1864) fournit une description théorique très détaillée des phénomènes électromagnétiques permettant de rendre compte à la fois des phénomènes électriques, magnétiques et de la propagation de la lumière.

Cette fin du XIXème siècle constitue véritablement une forme d’apogée pour les sciences physiques puisqu’elles permettaient d’expliquer la plupart des expériences observées à l’époque. On raconte qu’on déconseillait aux élèves brillants de cette époque de s’engager en sciences physique car on croyait alors que tout était découvert et qu’il n’y avait plus qu’à résoudre quelques problèmes techniques.

Parmi les mystères de la fin du XIXème perdurait celui du rayonnement du corps noir : un corps chaud émet une lumière. Cette lumière est le fruit de l’interaction entre la matière et la lumière. A l’aide des modèles statistiques de la fin du XIXème siècle, on peut expliquer ce rayonnement mais on aboutit à ce qui fut appeler « la catastrophe ultraviolette ». En effet, les modèles de l’époque prévoyait un rayonnement infini dans le domaine de l’ultraviolet et des rayons X lorsqu’un corps est chauffé, en complète contradiction avec les résultats expérimentaux. Pour expliquer cela, Max Planck proposa en 1900 de quantifier l’interaction entre la matière et la lumière : les atomes échangeraient des « quantas » d’énergie avec l’onde lumineuse. Sa proposition est « ad hoc« , c’est à dire qu’elle permet de résoudre le problème de la catastrophe ultraviolette mais Planck n’explique pas l’origine de cette quantification.

En 1905, Einstein, dans un article devenu un classique de l’histoire de la physique (voir cet article issu du them@Doc « 1905, les trois percées d’Einstein »), suggéra que c’était la lumière elle-même qui était constitué de « quanta« . Il propose de décrire la lumière comme constituée de petits grains de lumière : les photons. Cela permet d’expliquer à la fois le rayonnement des corps chaud, l’électroluminescence (le fait qu’un corps éclairé avec une lumière d’une certaine couleur peut émettre une autre couleur, comme par exemple un tee-shirt blanc sous une lampe UV) et l’effet photoélectrique (le fait que la lumière peut induire un courant électrique dans un circuit, effet utilisé dans certaines alarmes qui se déclenche lorsqu’on coupe un faisceau de lumière) : 3 phénomènes que la description de Maxwell échoue à expliquer. Est-ce à dire que toute la physique du XIXème siècle s’était fourvoyé en rejetant le modèle de Newton ? L’affaire n’est pas aussi simple car en fait pour rendre compte de l’ensemble des expériences que l’on peut faire avec la lumière, il faut considérer qu’elle est à la fois onde et corpuscule. C’est ce qu’on appelle la double nature de la lumière. Elle est onde si l’on considère les expériences de diffraction et elle est corpuscule si l’on considère le rayonnement du corps noir et les phénomènes cités ci-dessus.

En réalité, et c’est là toute la subtilité de la mécanique quantique, il n’est pas possible de trancher entre les 2 approches et l’on devrait parler au niveau microscopique de particonde (en anglais certains auteurs parlent de warticle, contraction de wave et particle), c’est à dire d’un objet qui revêt une forme ondulatoire ou corpusculaire selon la façon dont on l’appréhende… Cette description échappe à notre compréhension habituelle du monde, bienvenu dans la science moderne du XXème siècle.