Histoire de l'optique

L'histoire de l'optique est une partie de l'histoire des sciences. Le terme optique vient du grec ancien τα ὀπτικά. C'est à l'origine, la science de tout ce qui est relatif à l'œil. Les Grecs distinguent l'optique de la dioptrique et de la catoptrique. Nous appellerions probablement la première science de la vision, la seconde science des lentilles et la troisième science des miroirs. Les grands noms de l'optique grecque sont Euclide, Héron d'Alexandrie et Ptolémée.

Depuis l'Antiquité, l'optique a connu de nombreux développements. Le sens même du mot a varié et de l'étude de la vision, elle est passée en plusieurs étapes à celui de l'étude de la lumière, avant d'être incorporée récemment dans un corpus plus large de la physique.

Les premiers travaux d'optique pratique visent la mise au point de lentilles et remontent aux anciens Égyptiens et Babyloniens.

C'est au Moyen Âge, dans les sociétés arabo-musulmanes, qu'on commence à penser le rayon lumineux comme indépendant de l'œil humain. Le grand savant arabe dans ce domaine est Ibn al-Haytham, plus connu sous le nom d'Alhazen. On a pu le qualifier de « père de l'optique ».

Les problèmes liés à la perception visuelle ne s'exclueront du champ d'étude de l'optique qu'à la fin de la Renaissance, les précurseurs que sont Kepler et Descartes mêlant encore les deux notions.

Durant la Renaissance, le développement de divers instruments d'optique (lunette astronomique, télescope, microscope) est à la base de véritables révolutions scientifiques. Que l'on pense à la théorie de Copernic confirmée par les observations du système solaire par Galilée, ou à la découverte des animalcules grâce au microscope par de multiples savants dont le Hollandais Antoni van Leeuwenhoek est probablement le plus connu.

Toutefois c'est avec Christian Huygens et surtout Isaac Newton que l'optique connaît des développements théoriques importants : Newton à l'aide de prismes et de lentilles montre que la lumière blanche peut être non seulement diffractée jusqu'à être décomposée en plusieurs lumières de différentes couleurs, mais même recomposée (cercle chromatique de Newton - voir aussi spectre lumineux). Il produit la première théorie solide de la couleur et meαt également en évidence les phénomène d'interférence (anneaux de Newton). Ses travaux le conduisent à supposer une nature corpusculaire à la lumière. Vers la même époque, Huygens développe les idées de Descartes et postule au contraire la nature ondulatoire du phénomène (voir principe de Huygens), initiant ainsi l'optique ondulatoire.

Au XIX^e siècle, Thomas Young à l'aide de ses nouvelles expériences d'interférence et suite à la découverte du phénomène de polarisation repose la question de la nature de la lumière. Mis au courant, Augustin Fresnel reprend et pefectionne la théorie de Huyghens, et peut rendre compte de la totalité des phénomènes optiques connus. La théorie de Newton est abandonnée et la lumière est conçue comme une vibration d'un milieu très ténu dans lequel baigne l'espace : l'éther. Les découvertes de Hertz et les illustres travaux de Maxwell permettent vers la fin du siècle d'unifier optique et électricité dans un corpus plus large, celui de l'onde électromagnétique :

• le domaine optique du spectre lumineux n'est en fait qu'une petite partie du spectre électromagnétique
• l'onde lumineuse devient porteuse de l'interaction électrique et magnétique, l'optique devient vectorielle; le phénomène de propagation est décrit par la variation d'un champ de vecteurs.

Le dèbut du XX^e siècle voit à nouveau une révolution dans la physique avec l'apparition presque simultanée de deux théories fondamentales : la mécanique quantique et la relativité. L'hypothèse des particules de lumière reprend une partie de son ancien lustre, et la nouvelle théorie admet le caractère à la fois ondulatoire et corpusculaire de la lumière. En revanche, on a moins besoin de l'éther dont l'existence est abandonnée. L'optique quantique, dont le laser est probablement la plus éminente application, voit le jour.

L'optique étant véritablement au cœur de la physique du XX^e siècle, qui est pour une grande part une physique du rayonnement, ses plus grands noms en sont ceux des physiciens généraux : Albert Einstein, Max Planck, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac, etc.

Les anciens Chinois et Indiens ont également développé des connaissances non négligeables en optique . Cependant, leur histoire se présente plutôt comme celle de branches parallèles, car à la différence des savants grecs et arabes, les connaissances en optique des anciens savants indiens et chinois n'ont que très peu influencé le spectaculaire développement de cette science qui s'est effectué en Europe de la Renaissance au début du XXe siècle. En conséquence, l'impact de leurs découvertes sur l'optique contemporaine est faible.

L'aventure de l'optique, comme d'ailleurs celle des autres sciences, est de nos jours complètement mondialisée. (Cf. les articles histoire des sciences et techniques en Chine, et history of Indian science and technology (en))

Antiquité

la lentille Nimrud Assyrie - diam 38 mm - vers 750 av JC - (British museum)

défense de Syracuse par Archimède. (Giulio Parigi - Italie vers 1600 )

Les premières lentilles optiques furent fabriquées sous l'empire assyrien et sont antérieures à -700^[1] : il s'agissait de cristaux polis. La plupart du temps de quartz - voir photo ci-contre.

Des lentilles similaires furent fabriquées par les anciens Égyptiens, les Grecs et les Babyloniens.

Les Romains et les Grecs remplissaient des sphères de verre avec de l'eau pour en faire des lentilles (verre ardent) destinées à allumer le feu. L'usage des lunettes pour améliorer la vision ne semble pas avoir été beaucoup pratiqué avant le Moyen Âge.

Les premières théories en matière d'optique apparurent en Grèce.

• Euclide, au III^e siècle av. J.‑C. est l'auteur d'une théorie d'optique géométrique, les Catoptrica (Théorie des miroirs), qui voit apparaître la notion de rayon lumineux.
• À la même époque, Archimède a très certainement travaillé dans ce domaine, même si la réalité historique de ses célèbres miroirs embrasant les vaisseaux ennemis est plus douteuse.
• Héron d'Alexandrie, au I^er siècle de notre ère, écrit également des Catoptrica.
• Au siècle suivant, Ptolémée rédige une Optique^[2]. Il y traite des propriétés de la lumière, notamment de la réflexion, de la réfraction, et singulièrement de la réfraction atmosphérique, ainsi que de la couleur. Ses travaux sur la réflexion portent tant sur les miroirs plans que sur les miroirs sphériques. En ce qui concerne la réfraction, s'il ne parvient pas à en définir la loi fondamentale, il montre que l'angle de réfraction croît à mesure que croît l'angle d'incidence et il établit des tables pour l'air et l'eau^[3].

Au sujet de la vision, les anciens étaient partagés en plusieurs camps.

• Les « intramissionnistes », tels Épicure pensent que les objets envoyent des émanations (simulacres - εἴδωλα) qui parviennent aux yeux de l'observateur. Parmi eux, les atomistes considéraient que ces émanations étaient des atomes ténus.
• À l'inverse, les « extramissionnistes » estiment que les yeux projettent un flux qui permet la perception de l'objet par une sorte de contact , à l'instar du toucher.
• Pour d'autres savants antiques, sorte de compromis entre ces deux positions extrêmes, la vision résulte d'une interaction entre émanations des objets et flux visuel. C'est déjà l'opinion d'Empédocle au Ve siècle av JC. Pour Ptolémée, par exemple, la vision résulte d'une interaction entre le flux visuel issu des yeux (visus en latin) et les émanations caractérisant compacité lumineuse et couleur. S'il ne recèle pas par lui-même de luminosité, l'objet doit être éclairé, stimulé en quelque sorte, pour que l'interaction se produise^[4]. L'Optique de Ptolémée ne nous est malheureusement pas parfaitement connue, car elle ne nous est parvenue que par l'intermédiaire d'une traduction latine^[5], elle-même issue d'une traduction arabe assez imparfaite et incomplète^[6] : le livre I, qui contient la théorie de la vision, est perdu. Son propos est cependant connu par un bref résumé au début du livre II et les grandes lignes de sa théorie de la vision peuvent aussi se déduire d'indications éparses dans le texte^[7]. Au côté de Ptolémée, c'est-à-dire au nombre de ceux qui tentent une synthèse des deux courants anciens, il faut également ranger le médecin Gréco-Romain Galien qui fonde son opinion de l'observation anatomique de l'œil. Pour lui le corps émet un flux visuel qui interfère avec l'image de l'objet pour produire la sensation de vision. Ce flux part du nerf optique et se divise en de multiples ramifications à la manière d'un petit filet (retina). La fusion des deux flux s'effectue dans le cristallin.

Période musulmane

Dessin de Ibn Sahl : première mention de la loi de la réfraction : considérant les triangles rectangles (en haut à gauche), le rapport des deux hypoténuses est une constante du système.

Les premiers travaux d'importances furent ceux d'Al-Kindi (vers 801–873) : dans De radiis stellarum (traduction latine), il développe la théorie que citation|toute chose dans le monde [...] émet des rayons dans toutes les directions, ce qui remplit le monde entier^[8].}}

Puis Ibn Sahl (vers 940-1000), mathématicien persan à la cour de Bagdad, écrit un traité vers 984 sur les miroirs ardents et les lentilles dans lequel il expose comment les miroirs courbes et les lentilles peuvent focaliser la lumière en un point. On y trouve la première mention de la loi de la réfraction redécouverte plus tard en Europe sous le nom de loi de Snell-Descartes^[9]. Il utilisa cette loi pour établir la forme de lentilles et miroirs capables de focaliser la lumière sur un point de l'axe de symétrie.

Mais, dans ce domaine de l'optique, le plus influent des savants arabes est Ibn al-Haytham, plus connu en Occident sous son surnon d'Alhazen. Il prend pour base les théories antiques, mais parvient à les soumettre à l'arbitrage de la réalité par de nombreuses expériences, souvent très simples mais très ingénieuses, qui lui permettent d'étayer son argumentation. Il conclut en particulier, et pour la première fois sur des bases à peu près bien fondées, qu'il convient de concevoir l'œil comme un récepteur et non un émetteur. Il revient sur le rôle du cristallin, assimile l'œil à une chambre noire, étudie la vision binoculaire, , etc. Son œuvre majeure Kitâb fi'l Manazîr (Traité d'optique 1015 - 1021), traduite en latin par Vitellion constitue la base de l'optique occidentale pendant le bas Moyen âge et la Renaissance.

• Développement de la théorie et de l'observation (voir maison de la sagesse).
• L'instrumentation et la technique se développe : amélioration des lentilles, lunettes, observatoires astronomiques
• Première mention de la loi de la réfraction (sans suite)

Bas Moyen-âge et Renaissance

• Redécouverte des travaux antiques et arabes (Vitellion) - Progrès de l'optique géométrique - naissance de la théorie de la perspective (voir article perspective conique)
• Intérêt accru pour la connaissance de l'œil en tant qu'organe de la vision

XVIIe siècle

oeuvre fondatrice de Newton, "opticks" est publié en 1704.

• Meilleure compréhension du fonctionnement de l'œil (Kepler)
• Lois de la réfraction ou Lois de Snell- Descartes. Explication de la formation de l'Arc-en-ciel.
• développement de l'optique géométrique - principe de Fermat
• Nature ondulatoire de la lumière : principe de Huygens,
• Première mesure de la vitesse de la lumière par (Ole Christensen Romer)
• biréfringence : découverte du spath d'Islande par Rasmus Bartholin - Théorie par Christian Huyghens.
• Naissance de la théorie de la couleur (Cercle chromatique de Newton)
• Nature corpusculaire de la lumière : (Isaac Newton)
• diffraction, anneaux de Newton
• Progrès techniques : lunette astronomique (Galilée), microscope (Leeuwenhoek), télescope (Newton)

XVIIIe siècle

• Radiométrie ( Bouguer - Notion de luminance)
• Loi de Lambert
• aberrations optiques (Euler)

XIXe siècle

La première photographie couleur par J. C. Maxwell - 1861 - La couleur a été obtenue par la superposition de trois clichés pris successivement avec trois filtres. Elle est restituée par l'utilisation de trois projecteurs...!!!

• Stigmatisme (Gauss)
• Polarisation - (Brewster, Malus)
• optique ondulatoire (Thomas Young, Augustin Fresnel)
• Théorie de la diffraction - fentes de Young, interférence (Fraunhofer, Airy, Rayleigh)
• Mesures de la vitesse de la lumière, expérience de Fizeau, (Léon Foucault, Hippolyte Fizeau)
• Effet Doppler-Fizeau
• Découverte de l'Infrarouge - (Herschel)- et de l'Ultraviolet - (Johann Wilhelm Ritter)
• Trichromie (Helmholtz; Maxwell)
• Théorie de l'onde électromagnétique - (Hertz, Maxwell, etc.)
• Aberration sphérique et coma des images (Ernst Abbe)
• Diffusion de la lumière (Rayleigh, )
• Spectroscopie - réseaux - Gustav Kirchhoff
• Prismes et miroirs semi-réfléchissants
• Prisme de Nicol
• Photographie
• Débuts de la photogrammétrie

début XXe siècle

Un interféromètre de Michelson - Type d'appareil utilisé dans l'expérience de Michelson Morley, qui montré que la vitesse de la lumière en provenance des étoiles ne dépendait pas de la vitesse absolue de la terre dans l'espace - L'interprétation de cette expérience par A. Einstein a donné naissance à la théorie de la relativité.

• Vitesse de la lumière : Expérience de Michelson-Morley
• Théories d'Albert Einstein de la relativité restreinte et de la relativité générale
• Effet photo-électrique, relation de Planck-Einstein
• principe de l'émission stimulée (Einstein)
• Mesures précises de la vitesse de la lumière - métrologie - nouvelles définition du mètre
• Les ondes de matière (Einstein, De Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Dirac, Bose, Fermi...)
• Optique électronique (Microscope)
• Optique de Fourier, optique métaxiale

Période contemporaine

Laser bleu : faisceau de lumière quasi-monochromatique et cohérente.

• diffusion Raman - Raman
• Pompage optique (Kastler) - maser, laser
• Apparition de nouvelles technologies : guides d'ondes; fibres optiques;
• polaroïd
• Holographie
• optique non linéaire
• Optique quantique : photon, effet tunnel, etc.
• Métamatériaux
• Interférométrie

Les techniques d'imagerie numérique (traitement d'images) sont également d'apparition récente et se situent à la frontière de l'optique.

Notes et références

Bibliographie

• L'Âge d'or des sciences arabes, Actes Sud / Institut du monde arabe, oct. 2005 (ISBN 2-7427-5672-8)

Voir aussi

Articles connexes

• Instrument d'optique
• Optique physique
• timeline of electromagnetism and classical optics (en)

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