D’après les lois de l’optique géométrique :
• Le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale se situent dans un même plan.
• L'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion.
I.1 Les idées de la théorie corpusculaire
A
u 17ème siècle, le père de la gravitation, Newton (figure 1), développe une théorie très complexe de la lumière :
la théorie corpusculaire. En effet, il imagine que la lumière est constituée de petites particules.
Cette idée avait déjà traversé l’antiquité (Euclide). Ces savants grecs pensaient que les particules
étaient émises par les corps lumineux et effectuaient un voyage vers l’œil en suivant une trajectoire
rectiligne. Newton affirme donc qu’un rayon lumineux est constitué de ces petites particules n’ayant
aucune interaction entre-elles. Ces projectiles lancées à une extrême vitesse, pénètrent tous les corps
transparent et subissent des actions répulsives ou attractives très puissantes lorsque la distance qui
sépare les particules est petite. Ces actions diminuent lorsque les particules s’écartent. D’où la
complexité de la théorie et son abstraction. Cette théorie permet alors l’interprétation de nombreux
phénomènes en optique tel que la réflexion et la réfraction et explique la dispersion des couleurs.
Fig.1, Isaac Newton
Fig.2, René Descartes
E
n ce qui concerne la réflexion, Newton se heurte à plusieurs problèmes et confronte sa théorie à
celle de Descartes (figure 2) qui assimile la réflexion à un rebond de la lumière sur la surface des objets.
Or, si la cause était effectivement un rebond, celui-ci résulterait des chocs des particules de
lumière sur les particules constitutives des corps; l'intensité de la réflexion étant la plus
grande dans le vide, il devrait y avoir plus de parties constitutives des corps dans le vide que dans le verre !
Devant ce paradoxe, Newton ne peut que rejeter le modèle cartésien.
Fig.3
D’après les lois de l’optique géométrique :
• Le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale se situent dans un même plan.
• L'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion.
•
θ incident = θ réfléchi
M
is en évidence très tôt par le savant arabe Alhazen au moyen âge, Le phénomène de réflexion (figure 3)
découle logiquement du concept de Newton. Selon Newton, les particules composant le rayon de
lumière sont assimilées à des projectiles qui rebondissent sur l’objet en un seul point. Selon
la mécanique newtonienne, la déviation du rayon incident ne peut que résulter de l’action d’une
force sur ces particules qui selon lui est perpendiculaire à la surface de réflexion et s'exerce
au point où la lumière frappe la surface. Le rayon réfléchi est symétrique du rayon incident
par rapport à la normale au point d’incidence. C’est ce phénomène que l’on retrouve par exemple
dans les fibres optiques aujourd’hui.
D
epuis toujours, on s’est demandé pourquoi un objet que l'on plonge dans l’eau apparait comme cassé
alors qu’il n’en est rien (figure 5) ? Ce phénomène appelé réfraction est pour la première fois étudié
mathématiquement par Snell mais repris vivement et popularisé par Descartes dans « La Dioptrique
» en 1637. Descartes lance alors l’idée que lorsque la lumière formée de projectiles traverse un
milieu assimilé à une toile, celle-ci augmenterait de sa vitesse suivant la densité du milieu.
Cela est bien sur réfuté par le physicien Fermat qui qualifie cette idée d’absurde « La
démonstration de la réfraction me semble un véritable paralogisme (...) parce qu’il suppose que
le mouvement de la lumière qui se fait dans l’air et dans les corps rares est plus lent que celui
qui se fait dans l’eau et dans les autres corps ce qui semble choquer le sens commun. »
Fig.4
Fig.5
L
a seconde loi de Snell-Descartes :
D
e plus, les théories de Descartes sur la lumière sont confuses et pleines de contradictions,
il pense que la lumière résulte de frottements entre tourbillons qui font naître de la lumière
qui se propage avec une vitesse infinie… Il semble que la notoriété de l'écrivain philosophe
leur ait donné une importance excessive... Suite à ces interprétations très étonnantes, Newton
se trouve devant un problème. Un même rayon peut être réfléchi et réfracté suivant un même
milieu. Newton essaye de donc de résoudre le paradoxe avec des équations mathématiques d’où
il retrouve les lois de Snell-Descartes (n1 sin(i1) = n2 sin(i2)). Il postule ainsi ce que Descartes
avait conclu : la lumière se déplace plus vite dans les milieux à densité plus importante.
C'est-à-dire que la lumière se déplacerait plus vite dans l’eau que dans l’air. Il reprend
alors les bases de sa théorie en affirmant que si la force exercée perpendiculairement à la
surface du milieu, par un milieu transparent sur les particules est assez intense alors il y
a réflexion et dans le cas contraire il y a réfraction.
N
ewton reformule donc sa théorie presque acheminée (pour lui) : "la lumière est composée de
corpuscules de masses différentes émises par une source et qui se propagent dans le vide à une
vitesse très grande". Lorsqu'elles arrivent à la surface d'un milieu, ces particules subissent
l'action d'une force réfringente (figure 6) excitée par eux, perpendiculaire à cette surface,
proportionnelle à la densité du corps heurté et qui s'exerce à faible distance de celui-ci.
Cette force, en déviant la trajectoire des corpuscules cause à la fois la réflexion, la réfraction,
la dispersion et la diffraction. » Or, Grimaldi n’a-t-il pas affirmé que la diffraction n’a aucun
rapport avec les phénomènes de réfraction et de réflexion dont Newton veut interpréter ?
Voila une belle erreur.
Fig.6
Fig.7
G
râce à ses interprétations théoriques des lois de l’optique géométrique, Newton peut enfin
expliquer clairement la dispersion des couleurs par un prisme. On connaît par ailleurs la célèbre
expérience du prisme de Newton. Il explique ainsi, à travers son traité d’optique en 1704 que
les couleurs sont données par différents corpuscules composant la lumière. En effet, ceux-ci auraient
des « masses différentes » et subiraient par gravité des corps du prisme un changement de
direction … Or, si la lumière est composée de corpuscules ayant des masses, pourquoi deux rayons
lumineux qui se croisent ne changent-il pas ? Aussi, comment expliquer la réflexion partielle
lors de l’entrée de la lumière dans un prisme (figure 8) s'il existe « une force réfringente » ?
Fig.8
E
n conclusion, cette théorie basée sur des abstractions d’une extrême complexité à définir
est cousue de confusions, d’erreurs et d’incohérences. Devant tous ces soucis, Newton par
sa puissance dans le monde de la physique (notamment avec sa théorie de la gravitation) réussi
à conserver son idée pendant un siècle laissant place peu à peu à la fameuse théorie
ondulatoire de la lumière.