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Histoire de la Lumière et de la Couleur Pierre BONTON Université Blaise Pascal (Clermont-Ferrand II) LASMEA UMR CNRS 660

Histoire de la Lumière et de la Couleur Pierre BONTON Université Blaise Pascal (Clermont-Ferrand II) LASMEA UMR CNRS 6602 63177 Aubière Tel: 04 73 40 72 43 Mèl: Pierre.Bonton@lasmea.univ-bpclermont.fr. L’UNIVERS 10 à 13 Milliards d’années. LE SOLEIL

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Histoire de la Lumière et de la Couleur Pierre BONTON Université Blaise Pascal (Clermont-Ferrand II) LASMEA UMR CNRS 660

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  1. Histoire de la Lumière et de la Couleur Pierre BONTON Université Blaise Pascal (Clermont-Ferrand II) LASMEA UMR CNRS 6602 63177 Aubière Tel: 04 73 40 72 43 Mèl: Pierre.Bonton@lasmea.univ-bpclermont.fr

  2. L’UNIVERS 10 à 13 Milliards d’années LE SOLEIL Étoile de 4,5 milliards d'années d'âge Sa lumière traverse l'espace en 8 minutes pour nous atteindre

  3. FEU Paléolithique –300000 à -12000 Lampe à huile Grecs et Romains Lampe électrique 1890 Edison Bougies Moyen Age Lampe au gaz ou au pétrole 1860 L’illuminant

  4. SPECTRE des Illuminants Lumière Blanche Lampe Fluorescente • Fait ressortir les rouges et les bleus• Lumière optimale pour photosynthèse• Favorise la croissance des plantes

  5. Réponses: • NON • NON • OUI, la lumière naît d’une source de lumière qui peut être une bougie, une ampoule, le soleil …. Dans la lumière on trouve une série de couleurs qui mélangées entre elles donnent la lumière que nous voyons. Le citron absorbe la couleur bleue C’est Maxwell (1831-1879) qui démontre que toutes les nuances peuvent être obtenue à partir de trois teintes fondamentales (couleurs primaires) le Rouge, le Vert et le Bleu.

  6. Le jaune est complémentaire au bleu: R+V=J Projection Télévision Imprimerie, photos Cinéma (filtres) Teinture Si la vitesse de la lumière est constante dans le vide et l’air sec pour toutes les couleurs. Lorsqu’elle traverse la matière, les couleurs (fréquence de vibration ou longueur d’onde) se propagent à des vitesses différentes. C’est l’expérience du prisme Newton (1642-1727)

  7. Expérience du prismeNewton (1642-1727)

  8. Origines! Auguste Rodin (1840-1917) La Main de Dieu Selon un mythe Indien Winnebago, le Père créa le monde par la pensée. Il pensa et désira la Lumière et la Terre …. Dans la Genèse (premier texte – 1100 AV JC), la Lumière fut créée le troisième jour Elle se pose ainsi comme quelque chose d’essentiel puisqu’elle est,dans pratiquement tous les textes sur les mythes de la création, l’utilité de la naissance du monde et sans doute la vie même de ce même monde.

  9. Pour les religions Catholique et Musulmane, Dieu est lumière Le Coran 7ème siècle -Sourate XXIV « La lumière » verset 35 « Dieu est la lumière des cieux et de la terre . Semblance de sa lumière il niche où brûle une lampe, la lampe dans un cristal;le cristal, on dirait une étoile de perle: Elle tire son aliment d’un arbre de bénédiction, un olivier qui ne soit ni de l’est ni de l’ouest dont l’huile éclaire presque sans que la touche le feu. Lumière sur lumière! Dieu guide à sa lumière qui veut. » - LXI 8 « Ils (les ignorants)voudraient pouvoir de leur bouche éteindre la lumière de Dieu » - XCI « Par le soleil en son premier éclat, par la lune quand elle prend sa suite, par l’illumination du jour, par la nuit quand elle l’occulte, par la terre et ce qui l’aplanit, par l’âme et ce qui l’équilibre, lui inspire la luxure ou de se prémunir. Bien heureux sera qui la purifie confondu sera qui l’opacifie »

  10. Les origines: le miracle grec Les philosophes, « animés d ’un souffle vivant et incorruptible inventent un raisonnement (des Théories) pour comprendre le monde » (Plutarque 46 – 120 Après JC) C’est la quête des réponses au Pourquoi des choses! En optique le seul problème vraiment débattu est la vision …

  11. Les origines: le miracle grec Dans l’antiquité, la lumière était considérée comme un « Feu ». Deux théories (déjà !) s’affrontent. La théorie du « feu externe » (Théorie des Atomistes: Leucippe-500/-420 et Démocrite –460/-370). Ce sont des micro-objets d’un corps qui, du fait de la collision entre-eux, émettent la lumière. Nous ne les voyons pas s’approcher de nous quand nous les percevons, ce sont des simulacres matériels, des « images ! », des « eidola »

  12. i i Les origines: le miracle grec Pythagore (-570/-480) et Euclide (-330/-270) proposent la théorie du « feu visuel ou intérieur », c’est l’œil qui permet la vision en émettant un rayon spécifique (le « Quid »). Euclide s’appuie sur des faits expérimentaux et sur des postulats (géométrie Euclidienne) pour établir les lois de la réflexion et de la réfraction. Il introduit la notion de rayon lumineux et de propagation rectiligne. Eidola ou Quid se propage, selon les anciens, à travers un fluide qu’ils nomment « Ether » (ce nom est resté et repris par Huygens et Young pour expliquer que les ondes lumineuses se déplacent dans un fluide puisqu’elles ne sont pas corpusculaires).

  13. De ces deux théories et donc de la lumière, naît la couleur. Sans rayon, sans « feu visuel », il y a le noir qui est considéré comme une couleur. Des petites particules du « feu externe » résultent l’impression de la couleur blanche. Le noir et le blanc apparaissent comme deux extrémités d’un vecteur couleur. Dans certaines proportions d’un mélange de noir et de blanc apparaissent toutes les couleurs. De cette idée, tenace jusqu’à la fin du 17ème siècle, d’un seul vecteur correspondant à un axe de clarté, a conduit à envisager la teinte comme une fonction de la clarté. D’où, encore aujourd’hui, notre confusion entre teinte et clarté. La couleur jaune était considérée comme la couleur la plus brillante donc la plus proche du blanc dans l’antiquité. « Yellow » (jaune en anglais) a pour racine un terme indo-européen qui signifie « briller ». On considère de nos jours, depuis Newton, que la couleur est définie par trois paramètres (teinte, clarté et saturation).

  14. Les origines: le miracle grec Aristote (-384/-322) (Ces élèves s’appelaient des « Péripatéticiens » car Aristote marchait de long en large…). En observant, il dit: Nous verrions la nuit si la lumière était un «quid». Il propose: Mouvement se propageant entre l’objet et l’œil au travers l’éther (C’est le principe de la théorie ondulatoire). Sa proposition est ignorée de ses contemporains. L’observation de la vie donne la clef de la compréhension du monde (Aristote). Il observe et met la Terre comme centre de l’univers (!). Cette conception est défendue jusqu’à la Renaissance. Aristote malgré sa faculté d’observation c’est souvent trompé dans la mise en place des modèles de ses observations.

  15. Le premier modèle (Euclide): Rayon « homogène » lumineux ou modèle géométrique Il explique par exemple la formation d’images photographiques (lentilles) Il n’explique pas de nombreux autres phénomènes: couleurs des bulles de savon, interférences … Modèle ondulatoire: 17ème … 19ème Modèle corpusculaire (photons): 17ème … 20ème Modèle électrodynamique quantique: 20éme … (Schwinger et Feynman 1956) Réflexion Angle incident = angle réfléchi Applications: - les fibres optiques - le miroir Milieu 1 i i Milieu 2 La surface qui sépare les deux milieux s’appelle un « Dioptre »

  16. i r Modèle géométrique de Descartes en considérant une vitesse pour la lumière Snell Van Royen (Flamand 1591-1626) René Descartes (1596-1650) Réfraction n1 sin i = n2 sin r Réflexion totale: Arcsin n2/n1 > 90° vitesse de la lumière dans le vide n= vitesse de la lumière dans le milieu Milieu 1 i Milieu 2

  17. Newton (1642-1727)considère la lumière non pas comme homogène (selon un axe de clarté) mais hétérogène. Dans son expérience de la décomposition de la lumière par un prisme (1672), chaque couleur est définie par autant de rayons « colorés » que d’angles de réfraction. La teinte n’est plus subordonnée à la luminosité (clarté). En épistémologie on nomme cela le renversement d’une conception, ici le renversement de la clarté en faveur de la teinte.

  18. – la (lightness ou brightness) qui correspond à l’aspect clair, foncé ou terne d’une couleur. Selon la définition donnée par l’AFNOR, c’est l’attribut de la sensation visuelle selon lequel une surface éclairée par une source lumineuse déterminée paraît émettre plus ou moins de lumière. C’est aussi le correspondant psychosensoriel (approximatif) de la grandeur photométrique “luminance lumineuse”. – la ou tonalité chromatique (hue) qui correspond à la longueur d’onde prédominante présente dans la couleur : jaune, rouge, vert, bleu ... Selon la définition donnée par l’AFNOR c’est l’attribut de la sensation visuelle qui a suscité des dénominations de couleur telles que : bleu, vert, jaune, rouge, pourpre, etc. – la (saturation) qui caractérise le côté plus ou moins “délavé”, pâle ou vif. C’est le degré de mélange de la longueur d’onde prédominante avec le blanc. Selon la définition donnée par l’AFNOR c’est l’ attribut de la sensation visuelle permettant d’estimer la proportion de couleur chromatiquement pure contenue dans la sensation totale. luminosité A.H.MUNSELL1 9 4 6 teinte saturation

  19. Le Déclin Claude Ptolémée (100-170) est un des derniers phares de la science Grecs. Il conçoit un système pour représenter l’univers sous forme d’une structure en pelure d’oignons avec comme centre la terre. Rome ne pense qu’aux conquêtes (des Bibliothèques sont détruites: Syracuse, Alexandrie …). La religion prend de l’essor (L’empereur Constantin se convertit en 313). L’Eglise soutient les « Barbares » qui se convertissent. Chute de Rome en 476. Le monde est coupé en deux: Occident et Arabe.

  20. « Dixit Dominus » La toute puissancede l ’Eglise médiévale (300 à 1450) L’Eglise sûre de sa place dominante combat les hérétiques par la violence et excommunie les déviants. Urbain II (le pape errant) lance la première croisade à Clermont-Ferrand en 1095 (pour reconquérir son siège à Rome!) On redécouvre Aristote et la science Arabe! Roger Bacon (1214-1294) découvre la notion de foyers des miroirs concaves. Saint Thomas d’Aquin (1225 – 1274) essaie d’associer Foi et Raison! Si quelques personnes préparent « La Renaissance », cette période laisse peu de traces dans la Physique La nuit du Moyen Age.

  21. Ibn Al-Haytham Le yin (noir) et le yang (blanc) deux principes dont la complémentarité forme le Tao (la voie de la sagesse) (Chine –200 …) Dit Alhazen ( 965-1039 ) Apport d’autres civilisations

  22. Le monde Arabe La contribution des Arabes est fondamentale. (Contrairement aux Romains ils assimilent les connaissances des civilisations rencontrées). Al-Kindi (… 873) et surtout Alhazen. Son raisonnement est clair, il rejette les théories grecs et explique la réflexion et la réfraction. René Descartes (1596-1650) ne réintroduira ces explications que 6 siècles plus tard. Alhazen en 1000, de part ses expériences et ses calculs, donne un modèle mécanique simple: la Lumière est matérielle et se propage avec une très grande vitesse selon des rayons. La modification de cette vitesse par les corps rencontrés cause la REFRACTION. Le choc de la lumière et des corps crée la REFLEXION. Cette première théorie est de conception très moderne, la démarche est scientifique. Naissance de l’Islam début du 7ème siècle.

  23. Nicolas Copernic (Polonais 1473-1543) « Le soleil repose au milieu de toutes choses, il gouverne la famille des astres qui tournent autour de lui » Curieusement ses écrits sont condamnés par l’inquisition le 5 mars 1616 (70 ans après sa mort!) Giordano Bruno (1548-1582) fait l’apologie de Copernic. Il soutient qu’il existe d’autres soleil et … d’autres terres. Condamné à être brûlé vif par l’inquisition. Devant ses juges Bruno crie : « J’ignore sur quoi je dois me repentir ». Il est brûlé! La Renaissance (milieu du 15ème siècle)

  24. La Renaissance: Galilée (1564-1642) P.R.S. é puor si muove! (et pourtant elle tourne) L ’abjuration Galilée Une lunette pour le prince! Galilée construit une des premières lunettes astronomiques, les philosophes de l’époque la qualifient de trompeuse et d’illusoire. Il soutient les théories de Copernic qui sont condamnées par l’Inquisition. Son œuvre est immense (Mécanique, Astronomie, Cosmologie, vitesse de la lumière …) Sur ordre du pape aucun honneur funèbre lui sera rendu.

  25. Galilée le Père du Raisonnement Scientifique: OBSERVER MESURER MODELISER VERIFIER

  26. Le discours de la Méthode contient trois appendices: La Dioptrique, les Météores, la Géométrie. A la cour de Suède, discussion scientifique avec la reine Christine René DESCARTES (1596-1650) Descartes reprend les écrits d’Alhazen. Comme lui il compare la lumière au rebond d’une balle. Il propose un modèle mécanique pour expliquer la réfraction. Modèle rejeté par Newton. Descartes croit à un Dieu Catholique Newton croit à un Dieu Protestant

  27. Blaise PASCAL (1623-1662) Descartes inutile et incertain ! Le complet dénuement d ’une vie entièrement au service de Dieu

  28. « Il me semble que je n ’ai jamais été qu’un enfant jouant sur une plage, m ’amusant à trouver ici ou là un galet plus lisse ou un coquillage plus beau que d ’ordinaire, tandis que, totalement inconnu, s ’étendait devant moi le grand océan de la vérité… » Les temps modernes: Isaac NEWTON (1642-1727) Newton est avec Einstein le plus grand physicien de tous les temps!

  29. NEWTON: Théorie corpusculaire de la Lumière En 1672, il annonce à la Royal Société: La lumière est composée de 7 couleurs élémentaires (pures) auxquelles correspondent des indices de réfraction propres. Descartes a tort: Les couleurs ne sont pas créées par les surfaces traversées par la lumières. Mal accueillie! 15 ans plus tard il rallie la majorité des savants Anglais, à sa théorie, en s’opposant encore à Descartes! Il établit la loi de Gravitation (attraction) universelle (1687) (« PRINCIPIA ») F= G (Mterre.Mobjet)/r²

  30. NEWTON : « Les corps réfléchissent et réfractent la lumière par une seule et même force diversement mis en action » Le « rayon » est composée de parties successives (pour nous corpuscules) s’attirant par gravité et qui subissent l’effet d’une force à l’arrivée sur une surface, force qui dévieoutransmet le rayon suivant le degré d’opacité du corps.

  31. Il faut expliquer le phénomène de dispersion dans un prisme? Les corpuscules arrivent toutes avec la même vitesse. C’est l’inégalité de leurs masses qui les fait déviées différemment. Les corpuscules rouges sont plus lourdes! L’optique s’intègre bien dans l’optique du monde (force de gravité) proposée par Newton!

  32. Réponses: 1: Non 2: Non 3: La lumière diffusée sur les cotés par l’air apparaît bleu, le soleil est jaune. Le soir et le matin le soleil est trop bas pour que la lumière diffusée bleue nous parvienne. Nous recevons seulement la lumière directe privée de bleu et d’un peu de vert, donc diffusée orangée et le soleil est rouge. Juste avant que le soleil ne se couche (quelque fois à certains endroits) on observe le soleil comme un « rayon vert ». Ceci est du à la réfraction des rayons V et B, les rayons V étant plus énergiques, ce sont eux que nous observons.

  33. Ce sont les particules de l’air qui diffusent certaines longueur d’ondes du soleil. Phénomène de Diffusion

  34. La théorie de Newton n’explique pas tout. En particulier pourquoi un même pinceau lumineux peut-être à la fois réfléchi et réfracté? « Principia » (1687) ou Principes Mathématiques de la « Philosophie Naturelle » (nom donné à la Physique). C’est un modèle de description globale de l’Univers. S’opposent aux « Principes de la Philosophie » de Descartes! Orgueilleux il est accroché à son rêve de loi unique pour tout l’univers …! Et Pourtant!

  35. Christian Huygens (1629 – 1695) Théorie ondulatoire Elève de Descartes (1596 – 1650) « L’énergie lumineuse se propage par l’intermédiaire de la matière (Ether) comme le son sous forme d’ondes » Comme Descartes c’est un fervent partisan de la mécanique. La lumière a une trajectoire rectiligne. Comment des particules qui se croisent peuvent garder cette trajectoire? Le mouvement est donc dû à des ondes.

  36. Christian Huygens et: Réflexion et Réfraction La lumière va moins vite dans un solide que dans un liquide, dans un liquide que dans un gaz, dans un gaz que dans l’éther.

  37. HU YGENS L’air n’a pas une composition constante et son indice de réfraction varie.

  38. Réflexion! ONDES ou CORPUSCULES ? Rayons incidents Rayons incidents Miroir cercle Les rayons réfléchis forment des caustiques (comme sur une assiette) Miroir parabolique Les rayons réfléchis forment un point nommé foyer

  39. Il faut attendre Etienne Louis Malus (1775 – 1812) qui observant à travers un prisme de calcite les rayons solaires réfléchis par une fenêtre du palais du Luxembourg, observe deux images. Il pose alors les prémices de la polarisation de la lumière. Deux forces dans deux plans différents agissent sur l’onde lumineuse. Huygens ne peut pas lui non plus tout expliquer. Par exemple quand il superpose deux cristaux de calcite les rayons obtenus ont des différences d’intensité (double réfraction) et certains rayons peuvent s’éteindre si l’on fait tourner un cristal.

  40. E Ey Ex Polarisation de la lumière La lumière naturelle (produite par une source thermique par exemple)est un champ E (perpendiculaire au déplacement de l’onde lumineuse) constant qui varie constamment en orientation car Ex et Ey varient constamment dans le temps. Si on filtre une des deux composantes (Ex ou Ey) à l’aide d’un polarisateur (la calcite par exemple qui n’a pas le même indice de réfraction dans les deux directions x et y), on obtient une lumière polarisée qui fait ressortir certaines caractéristiques des matériaux (lames de mica, de gypse …). Les verres polarisants ne laissent passer qu’une composante ce qui atténue de moitié l’intensité. En superposant deux verres polarisants et en tournant l’un par rapport à l’autre, on obtient le noir pour un angle donné. Développement mathématique qui explique la polarisation par Fresnel (1788 – 1827)

  41. Newton ne relève que l’aspect négatif de la théorie ondulatoire. Il fait douter des expériences d’Huygens en les refaisant … et il se trompe malgré ses qualités d’excellent expérimentateur. La théorie ondulatoire est abandonnée durant un siècle. Ne pouvant tout expliquer lui-même, Newton amène l’influence de Dieu et dit-il: « La théorie ondulatoire qui dispense de l’intervention divine conduit à l’athéisme ».

  42. Le Siècle des Lumières (XVIIIème siècle) Les bouleversements sociaux, politiques, économiques et philosophiques vont influer sur les questionnements de la science sur elle-même. Après trois séjours à la Bastille, Voltaire s’exile (1726) en Angleterre. Il ramène une connaissance d’une philosophie anglaise et en particulier la physique Newtonienne. Anticlérical mais déiste, Voltaire apprécie la démarche théologique de Newton. L’église encourage les scientifiques Newtonien. En 1751 paraît l’encyclopédie de Diderot et d’Alembert, les luttes pour les dominations coloniales s’installent, la révolution approche … Pour la majorité du mouvement intellectuel, la science n’a plus besoin de l’intervention divine … La critique est ouverte et constructive! Un siècle pour se révolter (XVIII), un siècle pour comprendre (XIX), un siècle pour établir (XX).

  43. L ’essor révolutionnaire « Psyché recevant le premier baiser de l ’amour » (toile de Francis Gérard, musée du Louvre). Les arts symbolisent l ’atmosphère de la révolution. Les sciences sont soulevées par le même élan

  44. Young Et son expérience dite Des « trous de Young » Thomas Young (1793 – 1829) et les interférences C’est en 1800 que Young remet en question l’interprétation corpusculaire de la lumière. En observant les couleurs d’une bulle de savon, il voit s’entremêler deux ondes réfléchies, l’une par la face extérieure et l’autre par la face intérieure. Les vitesses de la lumière sont différentes dans l’air et dans l’eau (comme l’a montré aussi Huygens) Si la différence de marche entre deux faisceaux émis d’une même source est un multiple impair de la demie longueur d’onde, leur superposition est annihilée. Young appelle ce phénomène « Interférence » Il montre l’aspect ondulatoire de la lumière. Interférences

  45. Diffraction et Interférences d D Diffraction l L Modèle géométrique si d>L : D=d.L/l (Johannes KEPLER 1571-1630) Modèle ondulatoire si d<L : D=1,22.L.l/d l est la longueur d’onde du rayon lumineux. L est une valeur limite de l’ordre de l . Puisque l varie entre R et B, la sommation d’ondelettes, créés par d, peut rendre nul ou max l’énergie lumineuse. Des anneaux apparaissent autours de la tache. C’est Grimaldi (1618-1663) qui observa le premier des franges colorées par l’ombre portée d’un cheveu sur un écran.

  46. Esthétique des expériences de l’optique ondulatoire: réseau à deux dimensions Le Triomphe de la théorie ondulatoire! François Arago (1786 – 1853) et Augustin Fresnel (1788 – 1827) Grand scientifique, député, ministre, Arago soutient la science Un ingénieur père d’une théorie fondamentale: Fresnel et l’optique ondulatoire

  47. Il développe la fameuse lentille à échelon dite de Fresnel. « Les navigateurs sont prévenus que, dans le courant du mois de juillet 1823, il sera fait un changement au feu du phare de Cordouan, qui continuera d ’être un feu tournant à éclipses, mais présentera des éclats beaucoup plus vifs,plus courts et plus fréquents. » Un ingénieur des Ponts et Chaussées père d ’une théorie fondamentale: Fresnel et l ’optique ondulatoire Il écrit un mémoire (1819) qui fait toujours date sur la diffraction. Les franges sont dues aux interférences des ondelettes émises par chaque point. Il énonce un principe sur ce sujet « principe de Huygens Fresnel ». Puis un autre avec Arago sur la polarisation de la lumière.

  48. Vitesse de la lumière? • Kepler et Descartes la pensait infini. • Galilée et Newton la pensait fini mais n’ont pas pu la mesurer. • Olaüs Römer (astronome danois 1644-1710) en observant Io un des satellites de Jupiter, l’estime à 300000 km/s. • Hippolyte Fizeau (1819-1896) à l’aide de deux lunettes, l’une à Suresnes et l’autre à Montmartre, mesure 315000 km/s en 1849. Il montre expérimentalement, avec l’aide de Léon Foucault (1819-1868), que cette vitesse varie avec le milieu. La lumière se propage plus vite dans l’air que dans l’eau.

  49. James C. MAXWELL (1831-1879) 1 pm 1 nm 1 m m 1 mm 1 m 1 km Rayons gamma rayons x ultra Infrarouge micro-ondes ondes hertziennes violet Lumière = ondes visibles de 375 à 740 nm 1021Hz 1018Hz 1015Hz 1012Hz 109Hz 106Hz Ondes Electromagnétiques L ’électromagnétisme, première unification Les ondes lumineuses ne sont qu’un cas particulier des ondes électromagnétiques ! Superposition d’un champ électrique et d’un champ magnétique.

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