Théories de la lumière de Newton et Huygens

Théorie ondulatoire de la lumière : L'expérience du prisme de Newton

Newton a réalisé une expérience pour réfuter la théorie ondulatoire de la lumière et prouver que la lumière se déplace comme un flux de particules en ligne droite et non comme une onde. Son expérience a permis d'expliquer trois phénomènes principaux de la lumière : la réflexion, la réfraction et la propagation rectiligne de la lumière. Cependant, sa théorie ne pouvait pas expliquer la diffraction, qui est l'une des principales propriétés des ondes.

Newton a décidé de prouver sa théorie en étudiant la réfraction de la lumière et, plus précisément, le spectre de couleurs qui était censé apparaître lorsque la lumière passe à travers le verre. Il a laissé un faisceau de lumière solaire (qui est une lumière blanche) passer à travers un prisme en verre. Il a observé que la lumière se dispersait en plusieurs couleurs ressemblant à un arc-en-ciel. Il a appelé cette bande de lumière multicolore un spectre de couleurs. Bien que le spectre de couleurs soit continu, Newton l'a divisé en sept catégories de couleurs différentes, à savoir le rouge, l'orange, le jaune, le vert, le bleu, l'indigo et le violet.

Newton a ensuite fait passer le faisceau de lumière solaire à travers un second prisme tenu à l'envers, de sorte que le spectre traversant le premier prisme a été recomposé en lumière blanche (voir l'^image1 ci-dessous).

Fig. 3 - Expérience du prisme de Newton et réfraction de la lumière

Newton a d'abord pensé que le spectre des couleurs était causé par le verre, mais grâce à ses expériences, il a conclu que chaque couleur a un angle de réfraction spécifique. Il a observé que (a) tous les objets semblent être de la même couleur que le faisceau de lumière colorée qui les éclaire et (b) qu'un faisceau de lumière colorée reste de la même couleur quel que soit le nombre de fois où il est réfléchi ou réfracté. Cela l'a amené à conclure que la couleur est une propriété de la lumière qui se réfléchit sur les objets et non une propriété des objets eux-mêmes.

Quelle est la théorie de la lumière de Huygens ?

À la fin du XVIIe siècle, Christiaan Huygens a prouvé que sa théorie ondulatoire de la lumière pouvait expliquer les phénomènes de diffraction, d'interférence et de réflexion. La théorie de Huygens stipule que chaque point d'une source de lumière envoie un front d'onde dans toutes les directions dans un milieu continu et homogène appelé éther.

Huygens pensait que la diffraction se produisait en raison de l'interférence des fronts d'onde et que les ondes lumineuses différaient des ondes mécaniques ou des ondes d'eau par le sens de leur déplacement. Huygens a montré que les bords des ombres de la figure d'interférence ne sont pas parfaitement nets. Par conséquent, Huygens a conclu que la lumière doit être une onde et qu'elle se diffracte lorsqu'elle passe à travers une ouverture.

La théorie de Huygens a réussi à expliquer la réfraction et la réflexion ainsi que la diffraction et la figure d'interférence qui en résulte. Cependant, la théorie de Huygens a été partiellement réfutée au cours des siècles suivants.La théorie de Huygens stipule que la lumière voyage à travers un milieu sous la forme d'un front d'onde, mais la théorie de Maxwell proposait que la lumière n'ait pas besoin d'un milieu pour se propager et qu'elle puisse voyager dans le vide. Il a également supposé que la lumière est formée par l'échange de champs électriques et magnétiques, qui se déplacent sous forme d'ondes à la vitesse de la lumière.

Qu'est-ce que le principe de Huygens ?

Le principe de Huygens explique la forme que l'on observe dans une onde, comme les vagues d'eau. Il explique également le phénomène de diffraction des ondes sur les bords. Le principe de Huygens est aujourd'hui utilisé pour développer l'optique, par exemple les miroirs et les lentilles.

Thomas Young et l'expérience de la double fente

Le principe de Huygens n'ayant jamais été validé expérimentalement, c'est la théorie de Newton qui a prévalu. Thomas Young décide de réaliser une expérience qui permettrait de prouver la théorie de Huygens selon laquelle la lumière est une onde et non une particule. Young pense que la lumière est effectivement une onde et qu'elle devrait avoir des propriétés similaires à celles des vagues d'eau. Il pensait également que les ondes lumineuses devaient interagir lorsqu'elles se rencontraient (et que cette interaction devait inclure la fusion des ondes). C'est ce comportement que Young s'attendait à observer lors de son expérience.

Young a placé une source lumineuse derrière une fente pour permettre à un faisceau de lumière d'entrer par un seul point. La lumière s'est ensuite étalée et est entrée dans un second écran comportant deux fentes avec un écran à l'avant. Deux sources lumineuses étaient nécessaires pour obtenir des interférences, et Young a observé que la lumière s'étalait par diffraction au niveau de la double fente. Il a également observé une figure d'interférence formée sur l'écran avec des ombres claires et sombres.

Fig. 4 - Expérience de la double fente

À partir de cette expérience, Young a compris que la lumière est une forme d'onde transversale car la lumière se comportait exactement comme prévu (il y avait une figure d'interférence avec des ombres claires et sombres indiquant les points où deux crêtes et deux creux se rencontraient respectivement). Si la lumière était effectivement une particule, comme l'a prédit Newton dans sa théorie de la lumière, alors le faisceau lumineux passant par la fente aurait été reproduit sur l'écran de visualisation, comme illustré ci-dessous.

Fig. 5 - Diagramme montrant l'expérience où la lumière est reproduite sur l'écran de visualisation derrière deux ouvertures.

Incidence sur la dualité onde-particule de la lumière

Un siècle plus tard, Einstein a prouvé que la lumière peut également exister en tant que particules individuelles d'énergie, comme l'avait prédit Newton. Par conséquent, les théories de Newton et de Huygens étaient en quelque sorte correctes, car la lumière se comporte à la fois comme une onde et comme une particule. L'expérience de Young a également été recréée sous plusieurs variantes, notamment en utilisant des électrons au lieu de faisceaux lumineux. Cette expérience a montré que lorsque des détecteurs étaient utilisés au niveau des fentes, les particules semblaient se comporter comme des ondes.

De nombreux physiciens ont tenté d'expliquer le double comportement de la lumière, qui semble se comporter tantôt comme des particules, tantôt comme des ondes. Ces expériences et théories ont conduit à l'élaboration de la théorie moderne de la mécanique quantique, qui stipule que la lumière se comporte comme une particule et une onde, mais que nous ne pouvons pas observer les deux propriétés en même temps.

Images

Un montage expérimental simple pour montrer clairement que la lumière ne se recombine pas après avoir traversé deux prismes. https://aapt.scitation.org/doi/10.1119/1.5018680