Lumière : Particule ou Onde ?

La nature exacte de la lumière visible est un mystère qui laisse l’homme perplexe depuis des siècles. Les scientifiques grecs de l’ancienne discipline pythagoricienne ont postulé que chaque objet visible émet un flux constant de particules, tandis qu’Aristote a conclu que la lumière se déplace d’une manière similaire aux vagues dans l’océan. Même si ces idées ont subi de nombreuses modifications et un degré d’évolution significatif au cours des 20 derniers siècles, l’essence du différend établi par les philosophes grecs reste à ce jour.

Un point de vue envisage la lumière comme une nature ondulatoire, produisant de l’énergie qui traverse l’espace d’une manière similaire aux ondulations qui se propagent à la surface d’un étang immobile après avoir été perturbées par une roche tombée. Le point de vue opposé soutient que la lumière est composée d’un flux constant de particules, un peu comme de minuscules gouttelettes d’eau pulvérisées par une buse de tuyau d’arrosage. Au cours des derniers siècles, le consensus d’opinion a vacillé, un point de vue prévalant pendant un certain temps, pour être renversé par des preuves pour l’autre. Ce n’est qu’au cours des premières décennies du 20e siècle que des preuves convaincantes ont été recueillies pour fournir une réponse complète, et à la surprise de tous, les deux théories se sont avérées correctes, du moins en partie.

Au début du XVIIIe siècle, l’argument sur la nature de la lumière avait transformé la communauté scientifique en camps divisés qui se battaient vigoureusement pour la validité de leurs théories préférées. Un groupe de scientifiques, qui a souscrit à la théorie des vagues, a centré ses arguments sur les découvertes du Néerlandais Christiaan Huygens. Le camp adverse a cité les expériences de prisme de Sir Isaac Newton comme preuve que la lumière voyageait comme une pluie de particules, chacune procédant en ligne droite jusqu’à ce qu’elle soit réfractée, absorbée, réfléchie, diffractée ou perturbée d’une autre manière. Bien que Newton, lui-même, semblait avoir un certain doute sur sa théorie corpusculaire sur la nature de la lumière, son prestige dans la communauté scientifique avait tellement de poids que ses défenseurs ignoraient toutes les autres preuves lors de leurs batailles féroces.

La théorie de Huygens sur la réfraction de la lumière, basée sur le concept de la nature ondulatoire de la lumière, soutenait que la vitesse de la lumière dans n’importe quelle substance était inversement proportionnelle à son indice de réfraction. En d’autres termes, Huygens a postulé que plus la lumière était « courbée » ou réfractée par une substance, plus elle se déplacerait lentement tout en traversant cette substance. Ses disciples ont conclu que si la lumière était composée d’un flux de particules, l’effet inverse se produirait car la lumière entrant dans un milieu plus dense serait attirée par les molécules du milieu et connaîtrait une augmentation, plutôt qu’une diminution, de la vitesse. Bien que la solution parfaite à cet argument soit de mesurer la vitesse de la lumière dans différentes substances, l’air et le verre par exemple, les appareils de l’époque n’étaient pas à la hauteur. La lumière semblait se déplacer à la même vitesse quel que soit le matériau à travers lequel elle passait. Plus de 150 ans se sont écoulés avant que la vitesse de la lumière puisse être mesurée avec une précision suffisamment élevée pour prouver que la théorie de Huygens était correcte.

Malgré la réputation de Sir Isaac Newton, un certain nombre de scientifiques éminents au début des années 1700 n’étaient pas d’accord avec sa théorie corpusculaire. Certains ont fait valoir que si la lumière était composée de particules, alors lorsque deux faisceaux sont croisés, certaines des particules entreraient en collision pour produire une déviation dans les faisceaux lumineux. De toute évidence, ce n’est pas le cas, ils ont donc conclu que la lumière ne devait pas être composée de particules individuelles.

Huygens, malgré toute son intuition, avait suggéré dans son traité de la Lumière de 1690 que les ondes lumineuses voyageaient dans l’espace médiées par l’éther, une substance mystique en apesanteur, qui existe comme une entité invisible dans l’air et l’espace. La recherche de l’éther a consommé une quantité importante de ressources au cours du XIXe siècle avant d’être finalement abandonnée. La théorie de l’éther a duré au moins jusqu’à la fin des années 1800, comme en témoignent le modèle proposé par Charles Wheatstone démontrant que l’éther transportait des ondes lumineuses en vibrant selon un angle perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière, et les modèles détaillés de James Clerk Maxwell décrivant la construction de la substance invisible. Huygens croyait que l’éther vibrait dans la même direction que la lumière et formait une onde elle-même lorsqu’elle transportait les ondes lumineuses. Dans un volume ultérieur, Le principe de Huygens, il a ingénieusement décrit comment chaque point d’une onde pouvait produire ses propres ondelettes, qui s’additionnent ensuite pour former un front d’onde. Huygens a utilisé cette idée pour produire une théorie détaillée du phénomène de réfraction, et aussi pour expliquer pourquoi les rayons lumineux ne s’écrasent pas les uns sur les autres lorsqu’ils se croisent.

Lorsqu’un faisceau de lumière se déplace entre deux milieux ayant des indices de réfraction différents, le faisceau subit une réfraction et change de direction lorsqu’il passe du premier milieu au second. Pour déterminer si le faisceau lumineux est composé d’ondes ou de particules, un modèle pour chacune peut être conçu pour expliquer le phénomène (Figure 3). Selon la théorie des ondes de Huygens, une petite partie de chaque front d’onde incliné devrait avoir un impact sur le deuxième milieu avant que le reste du front n’atteigne l’interface. Cette partie commencera à se déplacer dans le deuxième milieu alors que le reste de l’onde se déplace toujours dans le premier milieu, mais se déplacera plus lentement en raison de l’indice de réfraction plus élevé du deuxième milieu. Parce que le front d’onde se déplace maintenant à deux vitesses différentes, il se pliera dans le deuxième milieu, modifiant ainsi l’angle de propagation. En revanche, la théorie des particules a du mal à expliquer pourquoi les particules de lumière devraient changer de direction lorsqu’elles passent d’un milieu à un autre. Les partisans de la théorie suggèrent qu’une force spéciale, dirigée perpendiculairement à l’interface, agit pour modifier la vitesse des particules lorsqu’elles entrent dans le deuxième milieu. La nature exacte de cette force a été laissée à la spéculation, et aucune preuve n’a jamais été recueillie pour prouver la théorie.

Une autre excellente comparaison des deux théories concerne les différences qui se produisent lorsque la lumière est réfléchie par une surface lisse et spéculaire, comme un miroir. La théorie des ondes spécule qu’une source de lumière émet des ondes lumineuses qui se propagent dans toutes les directions. Lors de l’impact d’un miroir, les ondes sont réfléchies selon les angles d’arrivée, mais chaque onde est retournée vers l’avant pour produire une image inversée (Figure 4). La forme des ondes qui arrivent dépend fortement de la distance entre la source lumineuse et le miroir. La lumière provenant d’une source proche maintient toujours un front d’onde sphérique et très incurvé, tandis que la lumière émise par une source éloignée se propagera davantage et impactera le miroir avec des fronts d’onde presque planes.

Le cas d’une nature de particule pour la lumière est beaucoup plus fort en ce qui concerne le phénomène de réflexion qu’il ne l’est pour la réfraction. La lumière émise par une source, proche ou lointaine, arrive à la surface du miroir sous forme de flux de particules, qui rebondissent ou sont réfléchies par la surface lisse. Parce que les particules sont très minuscules, un grand nombre sont impliquées dans un faisceau lumineux se propageant, où elles se déplacent côte à côte très rapprochées les unes des autres. Lors de l’impact sur le miroir, les particules rebondissent de différents points, de sorte que leur ordre dans le faisceau lumineux est inversé lors de la réflexion pour produire une image inversée, comme le montre la figure 4. Les théories des particules et des ondes expliquent adéquatement la réflexion à partir d’une surface lisse. Cependant, la théorie des particules suggère également que si la surface est très rugueuse, les particules rebondissent sous divers angles, diffusant la lumière. Cette théorie est très proche de l’observation expérimentale.

Les particules et les ondes doivent également se comporter différemment lorsqu’elles rencontrent le bord d’un objet et forment une ombre (Figure 5). Newton n’a pas tardé à souligner dans son livre Opticks de 1704, que « La lumière n’est jamais connue pour suivre des passages tortueux ni pour se plier dans l’ombre ». Ce concept est cohérent avec la théorie des particules, qui propose que les particules légères doivent toujours se déplacer en lignes droites. Si les particules rencontrent le bord d’une barrière, elles projetteront une ombre car les particules non bloquées par la barrière continuent en ligne droite et ne peuvent pas s’étendre derrière le bord. À l’échelle macroscopique, cette observation est presque correcte, mais elle n’est pas en accord avec les résultats obtenus à partir d’expériences de diffraction de la lumière à une échelle beaucoup plus petite.

Lorsque la lumière passe à travers une fente étroite, le faisceau se propage et devient plus large que prévu. Cette observation fondamentalement importante donne une crédibilité significative à la théorie des ondes de la lumière. Comme les vagues dans l’eau, les ondes lumineuses rencontrant le bord d’un objet semblent se plier autour du bord et dans son ombre géométrique, qui est une région qui n’est pas directement éclairée par le faisceau lumineux. Ce comportement est analogue aux vagues d’eau qui s’enroulent autour de l’extrémité d’un radeau, au lieu de se refléter.

Près de cent ans après que Newton et Huygens ont proposé leurs théories, un physicien anglais nommé Thomas Young a réalisé une expérience qui soutenait fortement la nature ondulatoire de la lumière. Parce qu’il croyait que la lumière était composée d’ondes, Young pensait qu’un certain type d’interaction se produirait lorsque deux ondes lumineuses se rencontreraient. Afin de tester cette hypothèse, il a utilisé un écran contenant une seule fente étroite pour produire un faisceau lumineux cohérent (contenant des ondes qui se propagent en phase) à partir de la lumière solaire ordinaire. Lorsque les rayons du soleil rencontrent la fente, ils s’étalent ou se diffractent pour produire un front d’onde unique. Si ce front permet d’éclairer un second écran à deux fentes rapprochées, deux sources de lumière cohérentes supplémentaires, parfaitement en phase l’une avec l’autre sont produites (voir Figure 6). La lumière de chaque fente se déplaçant vers un seul point à mi-chemin entre les deux fentes doit arriver parfaitement au pas. Les vagues résultantes devraient se renforcer pour produire une vague beaucoup plus grande. Cependant, si l’on considère un point de part et d’autre du point central, la lumière provenant d’une fente doit voyager beaucoup plus loin pour atteindre un second point du côté opposé du point central. La lumière de la fente la plus proche de ce deuxième point arriverait avant la lumière de la fente éloignée, de sorte que les deux vagues seraient en décalage l’une avec l’autre et pourraient s’annuler pour produire de l’obscurité.

Comme il le soupçonnait, Young a découvert que lorsque les ondes lumineuses du deuxième ensemble de fentes sont étalées (ou diffractées), elles se rencontrent et se chevauchent. Dans certains cas, le chevauchement combine les deux ondes exactement par pas. Cependant, dans d’autres cas, les ondes lumineuses sont combinées soit légèrement, soit complètement décalées les unes des autres. Young a constaté que lorsque les vagues se rencontraient au pas, elles s’additionnaient par un processus qui est devenu appelé interférence constructive. Les ondes qui se rencontrent en décalage s’annulent mutuellement, un phénomène connu sous le nom d’interférence destructrice. Entre ces deux extrêmes, divers degrés d’interférence constructive et destructive se produisent pour produire des ondes ayant un large spectre d’amplitudes. Young a pu observer les effets des interférences sur un écran placé à une distance définie derrière les deux fentes. Après avoir été diffractée, la lumière recombinée par interférence produit une série de franges brillantes et sombres sur toute la longueur de l’écran.

Bien qu’apparemment importantes, les conclusions de Young n’étaient pas largement acceptées à l’époque, principalement en raison de la croyance écrasante dans la théorie des particules. En plus de ses observations sur l’interférence de la lumière, Young a postulé que la lumière de différentes couleurs était composée d’ondes de longueurs différentes, un concept fondamental qui est largement accepté aujourd’hui. En revanche, les partisans de la théorie des particules envisageaient que différentes couleurs étaient dérivées de particules ayant des masses différentes ou voyageant à des vitesses différentes.

L’effet d’interférence n’est pas limité à la lumière. Les vagues produites à la surface d’une piscine ou d’un étang se propageront dans toutes les directions et subiront un comportement identique. Lorsque deux vagues se rencontrent à l’étape, elles s’additionnent pour former une vague plus grande par interférence constructive. Les ondes en collision qui sont décalées s’annuleront mutuellement par interférence destructrice et produiront une surface plane sur l’eau.

Encore plus de preuves d’une nature ondulatoire de la lumière ont été découvertes lorsque le comportement d’un faisceau lumineux entre les polariseurs croisés a été soigneusement examiné (figure 7). Les filtres polarisants ont une structure moléculaire unique qui ne laisse passer que la lumière ayant une seule orientation. En d’autres termes, un polariseur peut être considéré comme un type spécialisé de store vénitien moléculaire ayant de minuscules rangées de lamelles orientées dans une seule direction à l’intérieur du matériau polarisant. Si un faisceau de lumière est autorisé à percuter un polariseur, seuls des rayons lumineux orientés parallèlement à la direction de polarisation peuvent traverser le polariseur. Si un second polariseur est positionné derrière le premier et orienté dans la même direction, alors la lumière traversant le premier polariseur traversera également le second.

Cependant, si le second polariseur est tourné à un petit angle, la quantité de lumière traversant sera diminuée. Lorsque le second polariseur est mis en rotation de sorte que l’orientation soit perpendiculaire à celle du premier polariseur, alors aucune de la lumière traversant le premier polariseur ne traversera le second. Cet effet s’explique facilement avec la théorie des ondes, mais aucune manipulation de la théorie des particules ne peut expliquer comment la lumière est bloquée par le deuxième polariseur. En fait, la théorie des particules n’est pas non plus adéquate pour expliquer l’interférence et la diffraction, des effets qui seraient plus tard des manifestations du même phénomène.

Les effets observés avec la lumière polarisée ont été essentiels au développement du concept selon lequel la lumière est constituée d’ondes transversales ayant des composantes perpendiculaires à la direction de propagation. Chacune des composantes transversales doit avoir une direction d’orientation spécifique qui lui permet soit de passer, soit d’être bloquée par un polariseur. Seules les ondes ayant une composante transversale parallèle au filtre polarisant passeront et toutes les autres seront bloquées.

Au milieu des années 1800, les scientifiques devenaient de plus en plus convaincus du caractère ondulatoire de la lumière, mais il restait un problème dominant. Qu’est-ce que la lumière ? Une percée a été faite lorsqu’il a été découvert par le physicien anglais James Clerk Maxwell que toutes les formes de rayonnement électromagnétique représentent un spectre continu et se déplacent dans le vide à la même vitesse: 186 000 miles par seconde. La découverte de Maxwell a effectivement cloué le cercueil de la théorie des particules et, à l’aube du 20e siècle, il semblait que les questions fondamentales de la théorie de la lumière et de l’optique avaient enfin été résolues.

Un coup dur pour la théorie des ondes s’est produit dans les coulisses à la fin des années 1880 lorsque les scientifiques ont découvert pour la première fois que, dans certaines conditions, la lumière pouvait déloger les électrons des atomes de plusieurs métaux (figure 8). Bien qu’au début seulement un phénomène curieux et inexplicable, il a été rapidement découvert que la lumière ultraviolette pouvait soulager les atomes d’électrons dans une grande variété de métaux pour produire une charge électrique positive. Le physicien allemand Philipp Lenard s’est intéressé à ces observations, qu’il a appelées l’effet photoélectrique. Lenard a utilisé un prisme pour diviser la lumière blanche en ses couleurs composantes, puis a concentré sélectivement chaque couleur sur une plaque métallique pour expulser les électrons.

Ce que Lenard a découvert le confond et l’étonne. Pour une longueur d’onde spécifique de la lumière (bleue, par exemple), les électrons produisent un potentiel constant, ou une quantité d’énergie fixe. La diminution ou l’augmentation de la quantité de lumière produit une augmentation ou une diminution correspondante du nombre d’électrons libérés, mais chacun conserve la même énergie. En d’autres termes, les électrons échappant à leurs liaisons atomiques avaient des énergies qui dépendaient de la longueur d’onde de la lumière, pas de l’intensité. Ceci est contraire à ce que l’on pourrait attendre de la théorie des ondes. Lenard a également découvert un lien entre la longueur d’onde et l’énergie: des longueurs d’onde plus courtes produisent des électrons ayant de plus grandes quantités d’énergie.

Les bases d’une connexion entre la lumière et les atomes ont été jetées au début des années 1800 lorsque William Hyde Wollaston a découvert que le spectre du soleil n’était pas une bande continue de lumière, mais contenait des centaines de longueurs d’onde manquantes. Plus de 500 lignes étroites correspondant aux longueurs d’onde manquantes ont été cartographiées par le physicien allemand Joseph von Fraunhofer, qui a attribué des lettres aux plus grandes lacunes. Plus tard, il a été découvert que les lacunes étaient produites par l’absorption de longueurs d’onde spécifiques par les atomes de la couche externe du soleil. Ces observations ont été parmi les premiers liens entre les atomes et la lumière, bien que l’impact fondamental n’ait pas été compris à l’époque.

En 1905, Albert Einstein postule que la lumière pourrait en fait avoir certaines caractéristiques de particules, indépendamment des preuves accablantes d’une nature ondulatoire. En développant sa théorie quantique, Einstein a suggéré mathématiquement que les électrons attachés aux atomes d’un métal peuvent absorber une quantité spécifique de lumière (d’abord appelée quantique, mais plus tard transformée en photon) et ainsi avoir l’énergie nécessaire pour s’échapper. Il a également émis l’hypothèse que si l’énergie d’un photon était inversement proportionnelle à la longueur d’onde, des longueurs d’onde plus courtes produiraient des électrons ayant des énergies plus élevées, une hypothèse confirmée en fait par les résultats de la recherche de Lenard.

La théorie d’Einstein a été solidifiée dans les années 1920 par les expériences du physicien américain Arthur H. Compton, qui a démontré que les photons avaient un élan, une condition nécessaire pour soutenir la théorie selon laquelle la matière et l’énergie sont interchangeables. À peu près à la même époque, le scientifique français Louis-Victor de Broglie a proposé que toute matière et tout rayonnement aient des propriétés qui ressemblent à la fois à une particule et à une onde. De Broglie, suivant l’exemple de Max Planck, a extrapolé la célèbre formule d’Einstein reliant la masse et l’énergie pour inclure la constante de Planck:

où E est l’énergie d’une particule, m la masse, c est la vitesse de la lumière, h est la constante de Planck et ν est la fréquence. Le travail de De Broglie, qui relie la fréquence d’une onde à l’énergie et à la masse d’une particule, a été fondamental dans le développement d’un nouveau champ qui serait finalement utilisé pour expliquer à la fois la nature ondulatoire et particulaire de la lumière. La mécanique quantique est née des recherches d’Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr, Erwin Schrödinger et d’autres qui ont tenté d’expliquer comment le rayonnement électromagnétique peut afficher ce qu’on appelle maintenant la dualité, ou à la fois un comportement semblable à des particules et à des ondes. Parfois, la lumière se comporte comme une particule et d’autres fois comme une onde. Ce rôle complémentaire, ou double, du comportement de la lumière peut être utilisé pour décrire toutes les caractéristiques connues qui ont été observées expérimentalement, allant de la réfraction, de la réflexion, de l’interférence et de la diffraction, aux résultats avec la lumière polarisée et l’effet photoélectrique. Combinées, les propriétés de la lumière travaillent ensemble et nous permettent d’observer la beauté de l’univers.