aberration chromatique: les couleurs de la lumière déviant à différents degrés quand elles passent de l’air au verre, une lentille simple produit des bandes de couleur plutôt qu’une image claire ; c’est ce qu’on appelle l’« aberration chromatique ».
aberration sphérique: les anciennes lentilles étant souvent constituées d’une section de sphère et les rayons de lumière provenant du centre et du bord de la lentille ne se focalisaient pas au même point ; c’est ce qu’on appelle l’« aberration sphérique ».
concave: incurvé vers l’intérieur, dans ce cas, une lentille concave.
convexe: incurvé vers l’extérieur, dans ce cas, une lentille convexe.
Descartes, René: philosophe et physicien français qui pensait que la lumière était transmise par une série de petites sphères rigides dans l’éther, en sorte que la « poussée » d’une source de lumière produisait une poussée instantanée sur l’œil du spectateur, et que la gravité était due à des vortex tourbillonnant dans l’éther. De manière plus utile, Descartes démontra le lien entre formes géométriques et équations algébriques, remplaçant l’usage traditionnel de la géométrie par une approche numérique des forces de la nature.
échelle diatonique: échelle musicale de sept degrés, représentée par les touches blanches du piano. L’échelle diatonique en do majeur passe par do, ré, mi, fa, sol, la, si, avant de revenir à do, qui commence l’octave supérieure. Newton pensait que la lumière devait aussi avoir sept couleurs.
Ignace-Gaston Pardies: contemporain français de Newton. Contrairement à Descartes, Ignace-Gaston Pardies pensait que la lumière était une sorte de vibration harmonique produisant des effets ondulatoires, et que sa vitesse était finie. Il contesta la théorie de Newton selon laquelle la lumière blanche contenait toutes les couleurs du spectre, mais ce dernier le rallia à sa cause. Robert Hooke, l’ennemi juré de Newton, se servit de ce différend pour l’attaquer.
lumière composée/décomposée: Newton distinguait la « lumière décomposée », d’une seule couleur, et la « lumière composée », constituée d’un mélange de couleurs. On dirait aujourd’hui que la lumière décomposée possède une longueur d’onde, une fréquence ou une énergie de photons unique.
Opus majus: chef-d’œuvre scientifique écrit par le moine anglais Roger Bacon en 1267. Celui-ci l’avait conçu comme un projet d’encyclopédie scientifique, dans l’espoir que le pape lui accorde une subvention. L’Opus majus est ainsi un tour de force de 500 000 mots qui présente les idées originales de Bacon et donne une image précise de l’état de la connaissance scientifique au Moyen Âge.
prisme: géométriquement, un prisme est un polyèdre constitué de deux bases polygonales parallèles. Dans le domaine optique, c’est un bloc transparent à base triangulaire, généralement en verre, qui permet de réfracter la lumière en la faisant passer par deux faces.
réfraction: changement de direction d’un faisceau de lumière quand il passe d’une substance à une autre, par exemple de l’air au verre, ou de l’air à l’eau. La réfraction est causée par un changement de vitesse de la lumière. En effet, celle-ci dévie à la perpendiculaire quand elle traverse une substance dans laquelle elle se propage plus lentement.
spectre: gamme au sein d’un ensemble de valeurs continues. En principe, ce peut être n’importe quoi (un spectre politique, par exemple), mais, en ce qui concerne la lumière, il s’agit d’un éventail de couleurs correspondant aux différentes longueurs d’onde, fréquences ou énergies des photons (toutes trois étant équivalentes). Le spectre complet de la lumière comprend les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, la lumière visible, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma. La lumière visible n’en est qu’une toute petite partie.
C’est grâce à Newton et à ses expériences sur les prismes qu’à chaque fois que l’on voit un arc-en-ciel, on pense instantanément à ses sept couleurs: le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo et le violet. Consacrées à l’optique, ses premières conférences (Lectiones opticæ) en qualité de titulaire de la chaire lucasienne de mathématiques à Cambridge évoquèrent ses expériences avec les prismes. Il ne décrivit d’abord que cinq couleurs, puis, après avoir révisé son système, y inclut l’orange et l’indigo, afin de proposer « une symétrie plus délicate », et de démontrer le lien entre couleur et musique. Il prétendait ainsi que les couleurs pouvaient former des harmonies de la même façon que les notes de la gamme diatonique. Dans une lettre publiée par la Royal Society à la même époque, Newton reconnut une « variété infinie de nuances intermédiaires », mais oublia curieusement de souligner la nature arbitraire de la division de l’arc-en-ciel en sept couleurs quand il écrivit Opticks, plus de trente ans plus tard. On ne sait quelles couleurs Newton aurait retenues s’il avait vécu quelques siècles plus tôt, car l’orange n’eut d’existence officielle qu’au xve siècle, époque à laquelle il tira son nom du fruit. Jusqu’alors, on le qualifiait seulement de « jaune-rouge ».
Newton commença par compter cinq couleurs dans l’arc-en-ciel, puis sept avec « d’innombrables graduations intermédiaires », et finit par n’en retenir que sept.
On sait aujourd’hui que les couleurs visibles ne correspondent qu’à une minuscule fraction du spectre électromagnétique, qui comprend aussi les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma. En 1800, l’astronome William Herschel découvrit les infrarouges par accident, en effectuant des expériences sur un prisme. On estime que l’œil humain peut différencier approximativement dix millions de couleurs. Newton savait très bien qu’il y en avait plus de sept.
WILLIAM HERSCHEL
1738–1822
Astronome et musicien anglais d’origine allemande qui découvrit les infrarouges en étudiant les réactions d’un thermomètre sur différentes parties du spectre.
Simon Flynn
C’est durant ses expériences avec des prismes que Newton identifia les sept couleurs de l’arc-en-ciel.
Au début des années 1660, l’explication prédominante de la lumière et de la couleur était celle du physicien René Descartes. Presque tout le monde supposait que la forme la plus simple et la plus naturelle de la lumière était le blanc, et que la couleur résultait d’une modification de la lumière blanche. Ainsi, une pomme apparaissait rouge parce que sa surface modifiait les propriétés physiques de la lumière blanche qui la frappait. Grâce à une série de brillantes expériences sur un prisme qu’il disait avoir acheté en 1665 à la foire de Stourbridge, Newton bouleversa totalement la théorie des couleurs. Il décrivit une expérience durant laquelle il avait fait un trou dans le store de sa chambre, laissant passer un unique rayon de soleil. Il avait ensuite placé un prisme en sorte que ce rayon le traverse, et avait obtenu sur le mur opposé la projection d’un arc-en-ciel. Le détail crucial était que ce spectre avait une forme oblongue avec des bords nets. Selon la théorie de Descartes, on aurait dû voir un cercle. Cela convainquit Newton que Descartes avait tort. Il ne lui restait plus qu’à développer sa propre théorie de la lumière et de la couleur.
Avant Newton, on pensait que la couleur résultait de la modification de la lumière blanche.
Selon ses propres mots, Newton avait d’abord acheté un prisme pour meuler des lentilles non sphériques. Descartes avait démontré auparavant que les lentilles sphériques ne pouvaient pas rendre les images correctement. Cela eut des conséquences significatives pour les télescopes et les microscopes. Les travaux de Newton sur le télescope à réflexion permirent de réduire les aberrations des lentilles sphériques. Il est en effet possible de reproduire l’effet d’une lentille concave en rapprochant les pointes de deux prismes, et l’effet d’une lentille convexe en rapprochant leurs bases.
RENÉ DESCARTES
1596–1650
Philosophe naturaliste français dont la vision mécaniciste domina la science du milieu du xviie siècle.
Simon Flynn
L’expérience de Newton avec le prisme de Stourbridge produisit un spectre rectangulaire au lieu d’une gamme de couleurs circulaire.
S’étant convaincu que la théorie de Descartes sur la lumière et la couleur était fausse, Newton devait formuler sa propre théorie. Et parce qu’il était vital d’écarter la possibilité que ses résultats soient dus à un défaut du prisme, il fit preuve de génie expérimental en ajoutant un second prisme à ses recherches: si ses observations précédentes avaient été causées par des irrégularités de l’expérience, il serait impossible d’obtenir les mêmes résultats avec une seconde réfraction. Pour reproduire l’expérience du « prisme de Stourbridge », il se servit donc d’un second prisme de même taille afin de recomposer le spectre de couleurs du premier prisme en lumière blanche. Il plaça ensuite les deux prismes pointes en haut afin que la lumière spectrale pénétrant le second prisme soit encore plus réfractée: la lumière rouge et la lumière bleue restèrent rouge et bleue en ressortant. Ce fut ce second prisme qui fit toute la différence dans cette série d’expériences brillantes.
Dans une série d’expériences irréfutables, Newton démontra que la lumière blanche était composée de plusieurs couleurs.
L’un des problèmes rencontrés dans les expériences avec un prisme au xviie siècle était la qualité variable des objets en verre. Ils étaient en général petits, criblés de défauts et de bulles, et leurs faces étaient rarement plates. Si vous trouvez insatisfaisantes les expériences de physique au collège, songez aux problèmes qu’affrontaient les contemporains de Newton. C’est l’une des raisons pour lesquelles les autres savants n’adhérèrent pas immédiatement à ses idées.
RENÉ DESCARTES
1596–1650
Physicien français.
Simon Flynn
Se servant d’un second prisme pour réfracter une deuxième fois la lumière spectrale, Newton prouva que la lumière était composée d’un mélange de couleurs.
En février 1672, Newton écrivit une longue lettre à la Royal Society de Londres narrant les expériences qu’il avait effectuées sur la lumière à Woolsthorpe et à Cambridge. Il joignit des diagrammes montrant comment un rayon de soleil passant par un trou dans un store, puis par un prisme, déviait et projetait un spectre allongé de couleurs sur le mur, rouge sur sa trajectoire et bleu à son extrémité. Il décrivit ensuite – et montra sur un schéma – comment il avait placé un second prisme sur le trajet du faisceau coloré, pour savoir si la lumière rouge ou bleue pouvait à son tour se diviser en d’autres couleurs. Il en ressortait que les rayons colorés réfractés par le second prisme ne créaient pas de couleurs supplémentaires: le rouge restait rouge et le bleu, bleu. Cela, affirma Newton en latin et assez pompeusement, était son experimentum crucis (« expérience critique »). Elle démontrait que les couleurs sont « pures » et que la lumière blanche est constituée d’un mélange de couleurs ; le verre ne modifie pas la lumière et ne crée pas de couleurs: il se contente de les séparer. Le degré de réfraction de chaque couleur permet de les classer: le bleu est dévié ou « réfracté » à un angle plus important que le rouge.
Newton résuma ainsi son expérience: « La lumière est constituée de rayons différemment réfrangibles. »
Utiliser un morceau de verre pour produire les couleurs de l’arc-en-ciel n’était pas une idée nouvelle – on avait remarqué cet effet dès l’invention du verre. Mais en introduisant un second prisme, Newton put dépasser la conception générale et faire des essais combinant plusieurs couleurs.
FRANCIS BACON
1561–1626
Philosophe anglais qui employa le premier l’expression experimentum crucis.
ROBERT HOOKE
1635–1703
Architecte et physicien anglais qui adopta l’expression de Bacon. Ce fut sans doute à lui que Newton l’emprunta.
Sophie Hebden
L’expérience critique: le premier prisme divise la lumière blanche en un spectre de couleurs que le second ne divise pas davantage.
Avec ses deux prismes, Newton avait réalisé une expérience concluante. Après avoir fait passer les couleurs produites par le premier prisme à travers le second et découvert qu’elles demeuraient intactes, on pourrait penser qu’il avait bouclé l’affaire. Mais l’idée que la lumière blanche contenait toutes les couleurs du spectre était si contraire aux notions en vigueur à l’époque qu’il dut argumenter ses découvertes. À cette fin, il inventa une expérience de recombinaison. Ayant compris qu’une lentille concentrerait le faisceau de couleurs en un seul point, il en plaça une sur la trajectoire du spectre produit par un prisme et démontra ainsi que les couleurs résultantes, recombinées, formaient un rayon de lumière blanche (il avait utilisé « une lentille d’un rayon d’environ un mètre »). Pour étayer sa démonstration, il se servit d’un peigne fin pour supprimer différentes parties du spectre, montrant ainsi que la couleur de la tache de lumière résultante variait selon les composantes du spectre. Il démontra ainsi que toutes les couleurs du spectre étaient nécessaires pour former la lumière blanche.
En faisant passer un spectre complet à travers une lentille, Newton put mettre en évidence la manière dont toutes les couleurs se combinent pour produire la lumière blanche.
L’idée que la lumière blanche était constituée d’un assemblage des couleurs du spectre était particulièrement inconfortable pour les contemporains de Newton tels que le philosophe français Ignace-Gaston Pardies, car c’était la physique classique des Grecs qui prévalait toujours dans les universités. Selon Aristote, dont les idées n’avaient pas été remises en question depuis 1 500 ans, les couleurs résultaient de la réaction de différentes surfaces à un mélange de lumière et d’obscurité, ce qui faisait de la lumière blanche un élément fondamental plutôt qu’un composé.
ARISTOTE
384–322 AV. J.-C.
Philosophe grec dont les idées sur la science (notamment sur la lumière) dominaient encore largement à l’époque de Galilée et de Newton.
IGNACE-GASTON PARDIES
1636–1673
Philosophe jésuite parisien qui rejeta d’abord l’idée de Newton selon laquelle la lumière blanche était constituée de toutes les couleurs du spectre.
Brian Clegg
Newton recombina les couleurs du spectre à l’aide d’une lentille de taille considérable (« d’un rayon d’environ un mètre »).
De tous ses adversaires, c’est envers Christian Huygens que Newton semble avoir eu le plus de respect. Ce savant hollandais étudiait aussi bien la théorie de la probabilité que l’astronomie, grâce à laquelle il découvrit Titan, la lune de Saturne, mais c’est sa connaissance de la lumière qui intéressait avant tout Newton.
Le père de Huygens, un riche diplomate, fréquentait les mêmes cercles que Galilée et Descartes. Comme beaucoup d’enfants privilégiés, Huygens bénéficia de cours particuliers pour se préparer à l’université.
À l’université de Leyde, il étudia le droit et les mathématiques, avec l’intention de suivre les traces de son père dans la carrière diplomatique. Mais il se prit de passion pour les mathématiques et décida de consacrer sa rente personnelle à l’étude et à l’expérimentation.
Si les premiers travaux de Huygens portaient sur les mathématiques, il s’intéressa plus tard à l’astronomie. Il inventa une nouvelle forme d’oculaire et polit ses propres lentilles, bien que, pour ses observations, il se servît souvent de télescopes construits par des professionnels. Ses centres d’intérêt s’élargirent, le poussant à concevoir une horloge à pendule oscillant. De 1666 à 1681, il vécut à Paris, participant à la toute nouvelle Académie royale des sciences fondée par Louis XIV.
En tant que membre de la Royal Society, Huygens lut les premiers travaux de Newton sur la lumière et la couleur. Il soutint son explication de la couleur, mais critiqua l’hypothèse selon laquelle la lumière était constituée de particules. Huygens était certain que la lumière était une onde, ce qui voulait dire qu’elle avait besoin d’un milieu dans lequel « ondoyer ». Il pensait que l’espace était rempli d’une grande quantité de petites sphères élastiques formant l’éther. Selon lui, quand une source engendrait de la lumière, celle-ci se déplaçait d’une sphère à une autre en une série de petites vaguelettes. Certaines des vaguelettes s’éteignaient, mais leur grand nombre permettait de transporter la lumière dans une direction donnée.
Le modèle de vaguelettes de Huygens expliquait plusieurs phénomènes lumineux, comme la réfraction et la diffraction, mais il ne plaisait pas à Newton, qui s’en tenait à sa théorie des « corpuscules ». Malgré ce différend, et contrairement aux autres adversaires de Newton, Huygens se rangeait souvent de son côté. Les deux hommes se rencontrèrent quand Huygens se rendit en Angleterre en 1689, et continuèrent à correspondre de temps en temps, jusqu’à la mort de Huygens, six ans plus tard.
Brian Clegg
1645
Suit les cours de l’université de Leyde.
1647
S’inscrit au collège d’Orange, à Breda.
1654
Retourne à Hofwijck, la demeure familiale à La Hague.
1655
Découvre Titan, la lune de Saturne.
1656
Construit un prototype d’horloge à pendule oscillant.
1657
Écrit un traité sur le calcul des probabilités.
1663
Est élu membre de la Royal Society.
1666
S’installe à Paris et devient membre de l’Académie royale des sciences.
1678
Expose pour la première fois sa théorie ondulatoire de la lumière.
1681
Retourne à La Hague.
1684
Dessine un télescope « aérien » (“aerial telescope”).
1689
Se rend en Angleterre et y rencontre Newton.
1690
Publie son principal ouvrage, le Traité de la lumière.
8 juillet 1695
S’éteint à La Hague.
Ayant clairement défini la manière dont un prisme séparait les couleurs du spectre à partir de la lumière blanche, Newton put expliquer le mécanisme du spectre le plus courant: l’arc-en-ciel. Bien qu’on l’eût déjà compris jusqu’à un certain point, il fallut que Newton fasse intervenir la composition de la lumière blanche pour le rendre vraiment intelligible. Il écrivit ainsi: « Pourquoi les couleurs de l’arc-en-ciel apparaissent-elles à travers les gouttes de pluie ? Cela est tout aussi évident. Car ces gouttes d’eau, qui réfractent en grand nombre les rayons susceptibles d’apparaître pourpres à l’œil de l’observateur, réfractent en petit nombre les autres sortes de rayons, de telle sorte qu’ils disparaissent à côté des premiers ; et telles sont les gouttes constituant l’intérieur du premier arc et l’extérieur du deuxième ou arc externe. De même, les gouttes qui réfractent la plus grande quantité des rayons susceptibles d’apparaître rouges à l’œil de l’observateur réfractent ceux des autres sortes en telle quantité qu’ils disparaissent à côté des premiers ; et telles sont les gouttes de la partie extérieure du premier arc et de la partie intérieure du deuxième arc. »
Pour expliquer la formation des arcs-en-ciel, Newton invoqua la composition de la lumière blanche et les différents degrés de réfraction des couleurs.
Dans son Opus majus, le savant du xiiie siècle Roger Bacon souligna l’importance de l’expérimentation en prenant l’exemple de l’arc-en-ciel. Il compara ainsi le spectre produit par un prisme et d’autres morceaux de verre taillé, et étudia les angles sous lesquels une goutte de pluie devait être vue pour produire un effet d’arc-en-ciel par « réflexion et réfraction ». Toutefois, il croyait que les couleurs de l’arc-en-ciel étaient des illusions visuelles plutôt que de vraies couleurs.
RECOMPOSITION DE LA LUMIÈRE BLANCHE
ROGER BACON
1214/1220–env. 1292
Moine franciscain anglais obnubilé par la quête du savoir scientifique.
Brian Clegg
Le travail de Newton sur les prismes le conduisit à expliquer pourquoi un objet apparaît d’une couleur particulière. Comme il l’écrivit dans une lettre à Henry Oldenburg, secrétaire de la Royal Society, en février 1672: « Les couleurs de tous les corps naturels n’ont pas d’autre origine que celle-ci, elles sont différemment qualifiées pour refléter une sorte de lumière en plus grande quantité qu’une autre. » Ainsi, en regardant par exemple un objet rouge, il nota: « Éclairées par la lumière du jour, c’est-à-dire, par toutes sortes de rayons étroitement mélangés, celles [les couleurs] qui sont qualifiées pour le rouge abonderont davantage dans la lumière reflétée et, par leur prédominance, feront que [l’objet] apparaîtra de cette couleur ». La lumière blanche du Soleil, ainsi qu’il l’avait démontré avec ses expériences sur les prismes, contient toutes les couleurs possibles. Si cette lumière tombait, par exemple, sur une jaquette bleue, les couleurs du rouge au vert seraient largement absorbées, tout comme une bonne part de la lumière à l’extrémité indigo-violette du spectre. Ce qui serait reflété serait principalement le bleu – et quand la lumière atteindrait ses yeux, Newton verrait une jaquette bleue (on sait aujourd’hui que toute la lumière est absorbée, et que seule la lumière d’une certaine fréquence est réémise, tandis que le reste est absorbé sous forme de chaleur).
Quand la lumière blanche frappe un objet, certaines des couleurs sont absorbées. Les couleurs restantes sont reflétées et donnent à l’objet sa couleur apparente.
Newton comprit que si les objets avaient une couleur principale, ils reflétaient aussi en partie d’autres couleurs. Pour le démontrer, il fit la distinction entre la lumière « décomposée » d’un spectre unique de couleur et la lumière « composée » qui mélangeait deux ou plusieurs couleurs. Il fit remarquer qu’un objet paraissant rouge à la lumière du Soleil pouvait en principe prendre une autre couleur une fois éclairé par une lumière décomposée, mais que cette couleur serait trouble et déplaisante, à moins que la lumière en question ne contienne la ou les couleur(s) qu’il reflétait le « plus copieusement ».
HENRY OLDENBURG
1619–1677
Diplomate et physicien allemand qui publia la lettre de Newton à la Royal Society.
ROBERT HOOKE
1635–1703
Physicien anglais dont les critiques sur la lettre de Newton déclenchèrent une querelle interminable entre eux.
Brian Clegg
