Au début du 19ᵉ siècle, le débat sur la nature de la lumière oppose toujours deux grandes théories : celle de Newton, qui conçoit la lumière comme un flux de particules, et celle des défenseurs de la nature ondulatoire, inspirée des travaux de Huygens. Ce siècle marque un tournant majeur grâce à une série d’expériences décisives qui vont peu à peu fragiliser la vision corpusculaire. Ces expériences permettent de caractériser, de manière de plus en plus précise, les propriétés macroscopiques de la lumière (réflexion, réfraction, interférences, diffraction et polarisation) en faveur d’un modèle ondulatoire.
En 1801, Thomas Young réalise sa célèbre expérience des fentes, révélant pour la première fois des phénomènes d’interférences lumineuses qui ne peuvent s’expliquer que par une nature ondulatoire. En 1808, Etienne Malus publiera ses travaux très importants sur la polarisation de la lumière donnant un argument supplémentaire au caractère ondulatoire de la lumière. Quelques années plus tard, Augustin Fresnel approfondit l’approche de Young en montrant que la diffraction et les interférences s’expliquent rigoureusement grâce à un modèle de propagation ondulatoire. Enfin, en 1850, l’expérience de Léon Foucault, comparant la vitesse de la lumière dans l’air et dans l’eau, vient confirmer que la lumière ralentit dans un milieu plus dense, une observation incompatible avec la théorie corpusculaire et qui scelle le triomphe du modèle ondulatoire. Ces expériences, toutes majeures, marquent une étape décisive vers l’abandon progressif de la vision corpusculaire de la lumière.
Les fentes de Young (Thomas Young – 1801)
La première, et la plus connue des expériences d’optique ayant conduit à privilégier la nature ondulatoire de la lumière, est celle des fentes de Young. En 1801[1], le physicien britannique Thomas Young a imaginé de faire passer un faisceau de lumière au travers de deux fentes étroites, et a observé la figure formée sur un écran placé derrière les fentes. Au passage des fentes, la lumière est diffractée, et les deux faisceaux interfèrent l’un avec l’autre. Il a constaté en observant l’écran la présence d’une alternance de franges de lumière et d’ombre. A contrario, avec une seule fente, la diffraction conduit à une tâche de lumière diffuse sur l’écran, sans zone d’ombre.
L’astronome français Charles Nordmann résumera dans un article intitulé « Le compas lumineux », paru dans la Revue des deux mondes en 1921 cette expérience de Thomas Young : « Dès 1665, dans un ouvrage posthume du Père François-Marie Grimaldi, on trouve que les observations de ce savant, dont il ne donne pas d’ailleurs le détail sous une forme convaincante, l’avaient amené à conclure que de la lumière ajoutée à de la lumière peut, dans certains cas, produire l’obscurité.
Mais il faut en réalité attendre les travaux du physicien anglais Thomas Young, qui, un siècle plus tard, donna une forme correcte aux expériences de Grimaldi, pour avoir une première description exacte du phénomène des interférences.
Voici l’expérience de Young : un faisceau de lumière solaire pénètre par une étroite ouverture dans une pièce obscure ; en interposant sur son trajet un carton percé de deux petits trous d’épingles très voisins, on constate sur un écran, disposé à quelque distance plus loin, des phénomènes remarquables : si on bouche l’un des petits trous, l’autre produit sur cet écran une tache brillante, d’autant plus large d’ailleurs que le trou est plus petit (ceci à cause du phénomène de la diffraction que j’ai expliqué récemment ici même). Mais si on laisse la lumière traverser simultanément les deux petits trous, on constate sur l’écran que les deux plaques lumineuses produites par eux, au lieu de se superposer purement et simplement donnent naissance à une série de bandes alternativement sombres et colorées, et formant des cannelures analogues à une grille dont les barreaux sombres seraient séparés par des espaces lumineux.
Young, le premier, expliqua ce phénomène en partant de la théorie des ondulations proposée par Huygens et qui, à cause de l’autorité de Newton, — l’autorité et le prestige servent parfois à maintenir des erreurs… du moins en physique, — n’avait pas encore supplanté la théorie erronée de l’émission ».
Cette figure d’interférence s’explique très simplement en considérant que la lumière est de nature ondulatoire. Une des propriétés fondamentales des ondes est le fait qu’elle peuvent interagir entre elles, s’additionner si elles sont en phase, et s’annuler si elles sont en opposition de phase. Par ailleurs une onde peut avoir une valeur négative en un point, et ainsi conduire à une interférence destructive. A contrario un faisceau de particules de matière ne peut pas s’annuler en se combinant avec un autre faisceau de matière, la rencontre entre deux particules peut tout au plus conduire à une dispersion aléatoire. Dans le cas du dispositif de Young, en fonction de la distance parcourue, les phases des deux ondes de lumière s’additionnent ou s’annulent, et conduisent donc à des franges soit lumineuses, soit sombres sur l’écran. Cette expérience a été fondamentale dans l’histoire de la physique pour étayer la thèse de la nature ondulatoire de la lumière.
Parenthèse mathématique – Les fentes de Young |
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Thomas Young avait réussi avec son expérience une double prouesse : non seulement il démontra de manière convaincante la nature ondulatoire de la lumière grâce à l’observation des franges d’interférence, mais il parvint également à mesurer la longueur d’onde de la lumière, c’est-à-dire la distance entre deux crêtes successives de l’onde lumineuse. Sa valeur, d’environ 500 nanomètres, se situe précisément dans la plage de la lumière visible, confirmant ainsi l’idée que la lumière se propage sous forme d’ondes périodiques.
Cette avancée fondamentale ouvrit la voie à une compréhension plus approfondie des phénomènes optiques. C’est dans cette continuité que le physicien français Augustin Fresnel développa, quelques années plus tard, un cadre théorique rigoureux qui expliqua non seulement les interférences, mais aussi un phénomène jusqu’alors mal compris : la diffraction. Grâce aux travaux de Fresnel, la théorie ondulatoire de la lumière gagna une assise solide et permit de prédire avec précision le comportement de la lumière dans diverses situations complexes.
La polarisation de la lumière (Etienne Malus – 1808)
Au début du 19ᵉ siècle, alors que les expériences d’interférence et de diffraction avaient déjà sérieusement ébranlé la théorie corpusculaire de Newton, un nouveau phénomène vint renforcer de manière décisive l’hypothèse ondulatoire : la polarisation de la lumière. Ce phénomène, observé de manière systématique par le physicien français Étienne-Louis Malus en 1808, révéla une propriété inattendue de la lumière, impossible à interpréter dans le cadre d’une simple émission de corpuscules indifférenciés.
L’histoire commence presque par hasard. En 1808, Malus observe depuis une fenêtre du palais du Luxembourg la lumière du Soleil se réfléchissant sur les vitres du palais des Tuileries. Il examine cette lumière à travers un cristal de spath d’Islande, connu pour ses propriétés de double réfraction étudiées depuis Huygens. À sa surprise, il constate que l’intensité de l’une des deux images produites par le cristal varie selon l’orientation de celui-ci. En faisant tourner le cristal autour de l’axe du faisceau lumineux, l’une des images peut même disparaître presque complètement. Cette variation périodique d’intensité indique que la lumière réfléchie possède une propriété directionnelle particulière.
Malus comprend alors que la lumière peut se trouver dans un état spécial qu’il nomme « polarisation ». Une lumière polarisée ne se comporte pas comme une lumière ordinaire : elle présente une dissymétrie interne qui dépend de son orientation dans l’espace. Il montre notamment que la lumière réfléchie sous un certain angle par une surface diélectrique est partiellement polarisée, phénomène aujourd’hui connu sous le nom d’angle de Brewster.
Ce résultat est fondamental. Si la lumière était constituée de simples particules sphériques émises dans toutes les directions, rien ne permettrait d’expliquer qu’elle puisse acquérir une propriété liée à une orientation spatiale particulière. La polarisation suggère au contraire que la lumière possède une structure interne directionnelle. Dans le cadre ondulatoire, cette propriété trouve une interprétation naturelle : une onde peut vibrer selon une direction déterminée. La polarisation correspond alors à une sélection de la direction de vibration de l’onde lumineuse.
Cette interprétation ne fut pleinement clarifiée que quelques années plus tard grâce aux travaux de Fresnel. En analysant rigoureusement les phénomènes de polarisation, Fresnel démontra que la lumière ne pouvait pas être une onde longitudinale, analogue aux ondes sonores dans l’air. Une onde longitudinale ne permettrait pas d’expliquer les phénomènes observés de polarisation. Il conclut que la lumière devait être une onde transverse, c’est-à-dire une onde dont les vibrations sont perpendiculaires à la direction de propagation. Cette conclusion constituait une avancée conceptuelle majeure : elle donnait à la théorie ondulatoire une structure mécanique précise.
La polarisation joua ainsi un rôle déterminant dans l’abandon progressif du modèle corpusculaire. Elle révélait que la lumière ne se contente pas de se propager et d’interférer. Elle possède également une orientation interne, incompatible avec une simple trajectoire de particules. Elle introduisait une dimension supplémentaire dans la description du phénomène lumineux, que seule une théorie ondulatoire pouvait intégrer de manière cohérente.
Au-delà du débat entre onde et corpuscule, la polarisation ouvrait également la voie à des développements ultérieurs majeurs. Elle préparait le terrain à la théorie électromagnétique de Maxwell, qui interprétera la lumière comme une onde électromagnétique transverse, composée de champs électrique et magnétique oscillant perpendiculairement à la direction de propagation. Elle annonçait aussi, bien plus tard, le rôle central que jouera la polarisation dans la physique quantique, où elle deviendra un degré de liberté fondamental du photon.
Ainsi, après les interférences de Young et la diffraction de Fresnel, la polarisation mise en évidence par Malus apporta un argument supplémentaire et décisif en faveur de la nature ondulatoire de la lumière. Elle contribua à transformer l’hypothèse ondulatoire en une théorie cohérente et riche, capable d’expliquer non seulement la propagation et la diffraction, mais aussi la structure interne du phénomène lumineux lui-même.
L’expérience de la tache de Fresnel (Augustin Fresnel – 1818)
Fresnel a été l’un des grands artisans de la diffusion de l’hypothèse ondulatoire de la lumière. Il développa notamment des outils mathématiques puissants permettant d’expliquer différents phénomènes optiques que la théorie corpusculaire de Newton ne parvenait pas à décrire. Entre 1815 et 1821, Fresnel élabora une théorie mathématique de la diffraction fondée sur l’idée que chaque point d’une onde lumineuse agit comme une source secondaire d’ondes sphériques, principe aujourd’hui connu sous le nom de principe d’Huygens-Fresnel. Grâce à ce cadre théorique, il parvint à prédire avec précision les figures de diffraction observées expérimentalement. Cette remarquable cohérence entre théorie et expérience fut un argument majeur en faveur de la nature ondulatoire de la lumière.
L’expérience la plus célèbre confirmant les travaux de Fresnel sur la diffraction fut réalisée en 1818[2] : l’expérience de la tache de Fresnel, également appelée tache de Poisson ou tache d’Arago. Pour comprendre cette expérience, il faut revenir à la présentation du mémoire de Fresnel intitulé « Mémoire sur la diffraction de la lumière » à l’Académie des sciences en 1818. Le jury comptait notamment Siméon Poisson, fervent défenseur de la théorie corpusculaire, qui chercha à discréditer l’hypothèse ondulatoire.
Poisson proposa un montage expérimental consistant à diriger un faisceau lumineux sur un disque opaque et à observer son ombre sur un écran situé derrière ce disque. Selon la théorie corpusculaire, l’ombre devait être parfaitement nette et uniforme. Cependant, en appliquant les hypothèses de Fresnel, Poisson calcula qu’une tache lumineuse devait apparaître au centre de l’ombre. Convaincu que cette prédiction était absurde, il considérait cette expérience comme un moyen de réfuter la théorie ondulatoire.
Pour trancher, François Arago[3] réalisa l’expérience telle que suggérée. À sa grande surprise, il observa effectivement une tache lumineuse au centre de l’ombre portée, un phénomène inexplicable dans le cadre corpusculaire, mais parfaitement cohérent avec la théorie ondulatoire. Selon le principe d’Huygens, chaque point du bord du disque agit comme une source secondaire de lumière par diffraction. La tache centrale apparaît car toutes ces sources secondaires sont à égale distance du centre de l’ombre, ce qui entraîne une interférence constructive des ondes lumineuses à cet endroit précis.
Lors d’une séance publique de l’Académie des sciences le 26 juillet 1830, François Arago revint sur cette expérience en évoquant la trajectoire scientifique d’Augustin Fresnel : « Après avoir étudié avec tant de soin les propriétés des rayons lumineux, il était naturel de se demander en quoi la lumière consiste. Cette question scientifique, l’une des plus grandes, sans contredit, dont les hommes ne se soient jamais occupés, a donné lieu à de vifs débats. Fresnel y a pris une part active. … De ces deux explications des phénomènes de la lumière, l’une s’appelle la théorie de l’émission ; l’autre est connue sous le nom de système des ondes. On trouve déjà des traces de la première dans les écrits d’Empédocle. Chez les modernes, je pourrais citer parmi ses adhérents, Kepler, Newton, Laplace. Le système des ondes ne compte pas des partisans moins illustres : Aristote, Descartes, Hooke, Huygens, Euler, l’avaient adopté. De tels noms rendraient un choix bien difficile, si en matière de science les noms les plus illustres pouvaient être des autorités déterminantes. »
Puis, plus loin, Arago poursuit : « Le système de l’émission a maintenant très-peu de partisans ; mais ce n’est pas sous les coups d’Euler qu’il a succombé. Des objections insurmontables ont été puisées dans des phénomènes variés dont cet illustre géomètre ignorait même l’existence. Ce grand progrès de la science appartient aux physiciens de nos jours : il est dû en partie aux travaux de Fresnel. »
Enfin, pour souligner l’importance de la confirmation expérimentale : « Les théories ne sont, en général, que des manières plus ou moins heureuses d’enchaîner un certain nombre de faits déjà connus. Mais quand toutes les conséquences nouvelles qu’on en fait ressortir s’accordent avec l’expérience, elles prennent une tout autre importance. Ce genre de succès n’a pas manqué à Fresnel. Ses formules de diffraction renfermaient implicitement un résultat fort étrange qu’il n’avait pas aperçu. Un de nos confrères, je n’aurai pas besoin de décliner son nom, si je dis qu’il s’est placé depuis longtemps parmi les plus grands géomètres de ce siècle, tant par une multitude d’importants travaux d’analyse pure que par les plus heureuses applications au système du monde et à la physique, aperçut d’un coup d’œil la conséquence dont je veux parler ; il montra qu’en admettant les formules de Fresnel, le centre de l’ombre d’un écran opaque et circulaire devait être aussi éclairé que si l’écran n’existait pas. Cette conséquence si paradoxale a été soumise à l’épreuve d’une expérience directe, et l’observation a parfaitement confirmé le calcul. »
Le confrère évoqué par Arago n’est autre que Siméon Poisson lui-même, dont la tentative de réfutation aboutit à la démonstration éclatante de la validité de la théorie ondulatoire. Cette expérience, parmi les plus marquantes du 19ème siècle, contribua puissamment à convaincre la communauté scientifique de la nature ondulatoire de la lumière.
Au-delà de cette expérience emblématique, Fresnel a profondément enrichi la théorie ondulatoire de la lumière. Il a notamment approfondi les travaux de Young en démontrant mathématiquement comment deux ondes lumineuses peuvent s’additionner ou s’annuler pour produire les franges d’interférence observées. Fresnel a aussi été le premier à montrer que la polarisation de la lumière ne pouvait s’expliquer par une vibration longitudinale, comme pour le son, mais nécessitait une onde transverse oscillant perpendiculairement à la direction de propagation. Cette découverte a été cruciale pour la physique optique moderne.
Sur le plan expérimental, Fresnel a innové avec la conception des lentilles de Fresnel, des lentilles plates segmentées qui permettent de concentrer la lumière avec une finesse remarquable tout en réduisant le poids et le volume, ce qui a eu un impact durable, notamment dans les phares maritimes.
Enfin, Fresnel a contribué à la compréhension fine des phénomènes de réfraction, diffraction, et interférence, fournissant ainsi des bases solides qui allaient guider toute la recherche optique du 19ème siècle et influencer les développements futurs.
Grâce à ses contributions théoriques et expérimentales, Augustin Fresnel s’est imposé comme une figure centrale de l’optique classique. Ses travaux ont non seulement permis de faire basculer le débat sur la nature de la lumière en faveur de l’onde, mais ils ont aussi ouvert la voie à une compréhension plus riche et plus précise des phénomènes lumineux, fondements sur lesquels la physique moderne continue de s’appuyer.
Les travaux de Fresnel ont apporté une preuve convaincante de la nature ondulatoire de la lumière en expliquant avec finesse les phénomènes de diffraction et d’interférence. Cependant, une autre question fondamentale restait en suspens au milieu du 19ème siècle : quelle est la vitesse de propagation de la lumière dans différents milieux ? Ce point crucial allait permettre de trancher définitivement entre les modèles corpusculaire et ondulatoire, car ces théories prédisaient des comportements opposés.
C’est dans ce contexte que Léon Foucault réalisa en 1850 une expérience décisive, visant à mesurer et comparer la vitesse de la lumière dans l’air et dans l’eau. Par cette expérience ingénieuse, il démontra que la lumière se déplace plus lentement dans un milieu plus dense, ce qui confirma une fois de plus la nature ondulatoire de la lumière et réfuta la théorie corpusculaire défendue par Newton.
La comparaison des vitesses de la lumière dans l’air et dans l’eau (Léon Foucault – 1850)
La dernière expérience que nous allons évoquer concerne la mesure de la vitesse de la lumière. Dès 1838, le physicien François Arago propose de trancher définitivement le débat entre la nature corpusculaire et ondulatoire de la lumière en comparant sa vitesse dans l’air et dans l’eau. Pour comprendre sa démarche, il faut revenir brièvement sur la modélisation de la réfraction dans la théorie corpusculaire. Selon Newton, la force « réfringente » exercée sur les corpuscules de lumière est supposée perpendiculaire à la surface du dioptre et proportionnelle à la densité du milieu. Cette attraction gravitationnelle augmenterait la vitesse des corpuscules dans un milieu plus dense, comme l’eau. Ainsi, la théorie corpusculaire prévoit que la lumière va plus vite dans l’eau que dans l’air.
L’hypothèse contraire, défendue par Arago et les partisans de la théorie ondulatoire, est que la lumière se déplace plus lentement dans un milieu dense, comme l’eau. Cette différence fondamentale allait permettre d’arbitrer entre les deux théories.
Le physicien Léon Foucault, célèbre pour son pendule, réalisa en 1850[4] une expérience déterminante dans le cadre de sa thèse, visant à comparer la vitesse de la lumière dans l’air et dans l’eau. S’appuyant sur le dispositif de mesure de Fizeau, qui avait en 1849 réalisé la première mesure précise de la vitesse de la lumière sur Terre, Foucault améliora la méthode en utilisant un miroir tournant plutôt qu’une roue dentée. Plus compact et plus précis, ce dispositif lui permit de mesurer avec exactitude la différence de vitesse dans les deux milieux.
Plutôt que de mesurer directement la vitesse absolue, Foucault imagina un montage astucieux comparant la durée de parcours de deux trajets symétriques, l’un entièrement dans l’air, l’autre traversant un tube rempli d’eau. Un faisceau de lumière est envoyé vers un miroir en rotation rapide qui, par son mouvement, dévie légèrement le rayon réfléchi en fonction du temps de trajet.
Les expériences de Fizeau en 1849 et de Foucault en 1850 marquent un tournant décisif dans l’histoire de la mesure de la vitesse de la lumière. Fizeau est le premier à réussir une mesure précise de cette vitesse sur terre (indépendante des observations astronomiques de Römer), en utilisant une roue dentée tournante et un miroir placé à 8,6 kilomètres de distance. En déterminant à quelle vitesse de rotation de la roue dentée la lumière émise est bloquée à son retour, il parvient à estimer sa vitesse dans l’air avec une remarquable précision, proche de la valeur moderne (313 000 kilomètres par seconde contre 299 792 pour la valeur moderne).
Un an plus tard, Foucault améliore ce dispositif en remplaçant la roue dentée par un miroir tournant, ce qui permet une mesure plus fine sur une distance bien plus courte. Mais surtout, il réalise une version décisive de l’expérience en comparant la vitesse de la lumière dans l’air et dans l’eau.
Contrairement à Fizeau, Foucault ne mesurera pas les valeurs absolues des vitesses de la lumière dans les deux milieux, mais imaginera un dispositif permettant de comparer la durée de parcours de deux trajets symétriques dont un est entièrement dans l’air, et l’autre traversant pour partie un tube rempli avec de l’eau. Le principe de l’expérience de Foucault repose sur la mesure du retard d’un rayon réfléchi après avoir traversé un milieu dense par rapport à un rayon réfléchi qui se propage dans l’air. Un faisceau de lumière est envoyé vers un miroir en rotation rapide. En tournant, le miroir modifie légèrement la direction du rayon réfléchi, l’inflexion étant liée au temps de trajet aller-retour de la lumière. Foucault compare alors les déviations du rayon réfléchi lorsqu’il fait un trajet dans l’air et dans l’eau. En comparant les déviations, Foucault observa que la lumière est systématiquement ralentie dans l’eau par rapport à l’air.
Cette observation confirma donc une contradiction majeure avec la théorie corpusculaire telle que modélisée par Newton, et donna un argument puissant en faveur de la nature ondulatoire de la lumière.
Pour conclure sur cette expérience, il est intéressant de citer le physicien Pierre Duhem, qui en 1906 dans son ouvrage La théorie physique, son objet, sa structure, souligne avec une certaine clairvoyance la complexité du débat sur la nature de la lumière : « Deux hypothèses sont en présence touchant la nature de la lumière. Pour Newton, pour Laplace, pour Biot, la lumière consiste en projectiles lancés avec une extrême vitesse. Pour Huygens, pour Young, pour Fresnel, la lumière consiste en vibrations dont les ondes se propagent au sein de l’éther. Ces deux hypothèses sont les seules dont on entrevoit la possibilité… Suivons la première hypothèse, elle nous annonce que la lumière marche plus vite dans l’eau que dans l’air. Suivons la seconde, elle nous annonce que la lumière marche plus vite dans l’air que dans l’eau. Montons l’appareil de Foucault… le débat est jugé. La lumière n’est pas un corps, c’est un mouvement propagé par l’éther. L’hypothèse de l’émission a vécu, l’hypothèse des ondulations ne peut être mise en doute… »
Mais Duhem ajoute, avec beaucoup de lucidité : « Deux hypothèses en physique constituent-elles jamais un dilemme rigoureux ? Oserons-nous affirmer qu’aucune autre hypothèse n’est imaginable ? La lumière peut être une rafale de projectiles, elle peut être un mouvement vibratoire… Lui est-il interdit d’être quoi que ce soit d’autre ? »
Au cours du 19ème siècle, les nombreuses expériences d’optique réalisées par des physiciens tels que Thomas Young, Augustin Fresnel ou Léon Foucault ont profondément transformé notre compréhension de la lumière. Ces travaux ont progressivement fait vaciller la théorie corpusculaire dominante depuis Newton, en révélant des phénomènes (interférences, diffraction, variation de la vitesse selon le milieu) que seule une description ondulatoire pouvait expliquer de manière cohérente et rigoureuse.
L’expérience des fentes de Young a mis en lumière la capacité des ondes lumineuses à s’additionner et s’annuler, donnant naissance à des figures d’interférences caractéristiques. Fresnel a ensuite fourni un cadre mathématique solide, avec son principe des sources secondaires, capable de prédire et d’expliquer des phénomènes complexes comme la diffraction et la fameuse tache lumineuse au centre de l’ombre d’un disque, réfutant ainsi définitivement les arguments des partisans de la lumière corpusculaire. Enfin, les mesures précises de la vitesse de la lumière dans différents milieux, menées par Foucault, ont confirmé expérimentalement que la lumière ralentit dans un milieu plus dense, en accord avec la théorie ondulatoire et en contradiction avec la théorie corpusculaire.
Ces avancées majeures ont non seulement permis de comprendre la lumière comme une onde se propageant dans un milieu éthéré, mais ont aussi jeté les bases de la physique moderne. Toutefois, comme l’a prédit Pierre Duhem, cette dualité apparente entre corpuscules et ondes allait bientôt être revisitée au 20ème siècle, avec l’avènement de la mécanique quantique, qui révélera la lumière sous un nouveau jour : à la fois onde ou particule.
Ainsi, le 19ème siècle apparaît comme une époque charnière, où l’optique expérimentale a su, grâce à l’ingéniosité et à la rigueur des scientifiques, dépasser les conceptions anciennes pour ouvrir la voie à une compréhension plus riche et plus profonde de la nature fondamentale de la lumière.
Conclusion
Au terme de ce parcours à travers les expériences majeures du 19ᵉ siècle, le verdict semblait sans appel : la lumière se comporte comme une onde. Les interférences de Young, la diffraction mathématiquement maîtrisée par Fresnel, la tache centrale prédite contre toute intuition par Poisson et observée par Arago, la polarisation révélée par Malus, puis la mesure décisive de la vitesse de la lumière dans l’eau par Foucault, ont progressivement ébranlé et finalement supplanté la théorie corpusculaire héritée de Newton. La lumière, au milieu du 19ᵉ siècle, apparaît comme une onde transverse se propageant dans un milieu supposé omniprésent : l’éther luminifère.
Cette victoire de la théorie ondulatoire ne fut pas simplement un changement de modèle explicatif. Elle transforma en profondeur la manière dont les physiciens concevaient les phénomènes lumineux. La lumière n’était plus pensée comme un jet de particules matérielles, mais comme une perturbation périodique, capable d’interférer, de se diffracter et de présenter une polarisation, autant de propriétés typiquement ondulatoires. La cohérence mathématique et expérimentale de cette description semblait alors complète.
Pourtant, cette apparente stabilité théorique allait être remise en question à la fin du siècle. Les travaux de Maxwell unifièrent l’électricité, le magnétisme et l’optique en montrant que la lumière est une onde électromagnétique. Mais presque simultanément, de nouveaux phénomènes (notamment l’effet photoélectrique et le rayonnement du corps noir) révélèrent des comportements que la seule théorie ondulatoire ne parvenait plus à expliquer. La lumière, qui venait de triompher comme onde, allait à nouveau poser un problème.
Ainsi, l’histoire du débat entre onde et corpuscule ne s’achève pas avec la victoire de Fresnel et de Maxwell. Elle prépare au contraire une crise plus profonde encore, au début du 20ᵉ siècle, où la lumière apparaîtra tour à tour comme onde et comme quantum d’énergie. Ce retournement inattendu ouvrira la voie à la révolution quantique et conduira à une reformulation radicale de la question initiale.
La lumière est-elle onde ou corpuscule ? Le 19ᵉ siècle avait cru répondre. Le 20ᵉ siècle montrera que la question elle-même devait être repensée.
- Thomas Young, “On the theory of light and colors”, Philosophical transactions to the royal society, 1802 ↑
- Fresnel, Augustin, « Mémoire sur la diffraction de la lumière », présenté à l’Académie des sciences, 1818, publié dans Mémoires de l’Académie des sciences de l’Institut de France, tome 5, p. 339-475, 1826 ↑
- Arago, François, « Rapport sur le mémoire de Fresnel relatif à la diffraction de la lumière », 1819 ↑
- Foucault, Léon, « Détermination expérimentale de la vitesse de la lumière dans l’air et dans l’eau ». Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences, tome 30, p. 551-560, 1850 ↑