Augustin Fresnel confirme la théorie ondulatoire de la lumière

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Par Claude Brezinski, mathématicien, professeur émérite à l’Université de Lille, spécialiste d’analyse numérique et d’histoire des sciences (CNRS, UMR 8524 - Laboratoire Paul Painlevé)


Le 31 mars 1822, l’ingénieur Augustin Fresnel adresse à l’Académie des sciences un mémoire sur la double diffraction de la lumière. Il achève ainsi de démontrer que la lumière est constituée d’ondes et non de particules, comme Isaac Newton en avait émis l’hypothèse plus d’un siècle auparavant. Fresnel n’est pas le premier à remettre en question l’autorité de Newton sur la question : Christian Huygens ou Thomas Young avaient observé avant lui les phénomènes de diffraction et d’interférences des rayons lumineux, dont la théorie corpusculaire ne permettait pas de rendre compte. Fresnel commença par améliorer les dispositifs expérimentaux de ses prédécesseurs. Parallèlement, il appliqua ses découvertes à la mise au point d’une lentille à échelons améliorant considérablement la portée lumineuse des phares, toujours en usage de nos jours.

Augustin Jean Fresnel est bien connu pour les fameuses lentilles de Fresnel qui équipent les phares du monde entier. Mais on lui est surtout redevable de l’élaboration de la théorie ondulatoire de la lumière.

Fresnel, ingénieur brillant et physicien de l’ombre

Fresnel est né le 10 mai 1788 à Broglie en Normandie où son père dirigeait les aménagements du château de Victor François, second duc de Broglie, maréchal de France sous Louis XV et Louis XVI et qui commandera l’armée des émigrés en 1792. Il est amusant de noter que Louis de Broglie continuera en quelque sorte les travaux de Fresnel sur le double caractère corpusculaire et ondulatoire de la lumière, travaux qui lui vaudront le prix Nobel de physique en 1929. Notons également que Fresnel était le cousin de Prosper Mérimée.

À cause de la Révolution, la famille retourna à Mathieu, son village d’origine entre Caen et la mer. En 1801, le jeune Augustin entre comme élève à l’École centrale de Caen. En novembre 1804, à seize ans, il intègre l’École polytechnique, puis, à sa sortie en 1806, il passe trois ans à l’École des ponts et chaussées avant de commencer sa carrière d’ingénieur. Mais ce travail ne lui plaît pas trop. Selon sa propre expression, il besogne sa vie. C’est pourquoi il cherche à s’occuper à des travaux plus en conformité avec ses goûts. Il envoie à André-Marie Ampère deux mémoires où il est question de l’aberration et de la dilatation des corps. Il se lie également avec François Arago.

Pour une théorie ondulatoire de la lumière

Mais le véritable intérêt de Fresnel est la polarisation de la lumière que la théorie corpusculaire de la lumière de Newton est incapable d’expliquer. En 1666, Isaac Newton avait réalisé sa célèbre expérience du double prisme et, selon lui, la lumière était composée de grains émis par la source et suivaient sa théorie de la gravitation universelle. Mais la réfraction était plus difficile à interpréter.

Observation des phénomènes de réfraction par l’expérience du double prisme. S représente la lumière du soleil. Entre les plans [BC] et [DE], la lumière est décomposée en faisceaux colorés. Schéma figurant dans la lettre adressée par Newton à la Société royale de Londres © Wikicommons / Royal Society

Tous les savants du XVIIIe siècle, en particulier Christian Huygens, Leonhard Euler, Étienne Louis Malus et surtout Thomas Young, étaient loin d’adhérer à la théorie corpusculaire de Newton. Young voyait, dans la lumière, un phénomène vibratoire analogue aux ondes sonores (qui sont longitudinales) ou aux ondes à la surface d’un liquide (qui sont transversales). Il connaissait bien le phénomène des interférences. En 1801, peu satisfait des explications de Newton, Young reprend l’expérience des lames minces et en donne une interprétation exacte. Mais il reste à démontrer que la théorie ondulatoire permet d’expliquer le phénomène.

Pour comprendre l’expérience des fentes de Young, rendez-vous sur le site Culture Science-physique (10min08) ou sur le site Unisciel (1min06)

Observation expérimentale des phénomènes de diffraction

De nouveau les secousses nationales viennent perturber la vie de Fresnel. Ennemi du despotisme, il s’associe aux espérances que le retour des Bourbons fait naître et se rallie à la première Restauration. Le débarquement de Golfe Juan, le 1er mars 1815, lui est intolérable ; malgré sa santé fragile, il décide de prendre les armes contre Napoléon au début des Cent-jours et rejoint l’armée Royale du midi. Le 9 mai 1815, il est suspendu de ses fonctions mais obtient cependant un passeport pour se retirer à Mathieu auprès de sa mère, veuve depuis dix ans. C’est là qu’il commence ses travaux de recherche sur l’optique. Peut-être ne se serait-il jamais lancé dans cette voie si les Cent-jours n’avaient pas interrompu sa carrière d’ingénieur. Il s’intéresse aux ombres et à la diffraction que la théorie corpusculaire n’arrive pas à expliquer. Si la théorie des ondes lumineuse décrit bien la réalité, comment ces ondes arrivent-elles à contourner un obstacle, ce que font les ondes sonores et les ondes à la surface d’un liquide ? Il faut allier théorie et expérimentation, mais il ne dispose d’aucun appareil. Le serrurier du village lui construit des supports. Il place une  goutte de miel sur un trou percé dans une mince feuille de cuivre pour se fabriquer une lentille de courte focale. Il obtient ainsi une image microscopique mais très intense du soleil. Alors que tous ses prédécesseurs pratiquaient une ouverture dans la fenêtre d’une chambre obscure, interposaient un objet diffractif et observaient les franges sur un papier blanc, Fresnel a l’idée de remplacer l’écran par un verre dépoli afin que sa tête n’obstrue pas le passage de la lumière et il observe directement au travers d’une loupe la naissance des franges sur les bords des obstacles.  

Il construit, avec du carton et des fils, un micromètre pour mesurer avec une précision suffisante la position des franges de diffraction. Il peut ainsi étudier des phénomènes que nul avant lui n’avait détectés et effectuer des mesures que nul n’avait pu faire. Il trouve qu’une frange donnée ne se propage pas en ligne droite mais est incurvée selon une hyperbole dont les foyers sont la source lumineuse et l’un des bords du fil. Il n’y a qu’un seul point de désaccord entre les calculs de Fresnel et l’expérience : les franges éclairées apparaissent là où devraient se trouver les franges obscures. Fresnel explique le phénomène en admettant que les rayons réfléchis par le bord de l’obstacle perdent une demi-longueur d’onde. Il conclut ainsi que ses résultats sont contraires aux idées de Newton mais qu’elles cadrent parfaitement avec la théorie ondulatoire.

Pour visualiser les phénomènes de diffraction mis en évidence par Fresnel, rendez-vous sur le site Culture Sciences-Physique

Fresnel dans la lumière

Après la Restauration, Fresnel est réintégré dans ses fonctions d’ingénieur. Sa santé fragile lui rend ce travail très pénible. Le 1er mai 1818 il est nommé au service du canal de l’Ourcq puis, en mai 1819, à celui du Cadastre de la ville de paris. À la demande d’Arago, Fresnel entre, le 21 juin 1819, à la Commission des Phares et Balises. Il consacrera toutes ses forces à ce travail, et visitera et améliorera tous les phares de France.

Le premier Mémoire de Fresnel sur la diffraction de la lumière est adressé à l’Académie des sciences le 15 octobre 1815. Il émet l‘hypothèse que lumière et chaleur doivent être de même nature puisqu’un corps sombre illuminé se réchauffe et qu’un corps chauffé émet de la lumière. C’est un argument absolument nouveau. Puis il compare la théorie de l’émission avec la théorie ondulatoire qui a sa faveur. Il en tire la conclusion, opposée à celle de Newton, que la vitesse de la lumière est plus faible dans le verre que dans l’air. Fresnel envoie un complément à son premier mémoire le 10 novembre. D’autres suivront, certains en collaboration avec Arago. Il lui fallut plusieurs années d’efforts, de réflexions et d’expériences pour adopter lui-même complètement l’idée de la transversalité des ondes et, surtout, pour la faire admettre. Les mémoires sur ce sujet se succéderont jusqu’au 31 mars 1822. Tout au long de ceux-ci, Fresnel mettra au point la théorie de la double réfraction dans les cristaux uniaxiaux et biaxiaux. En suivant une démarche plus intuitive que rigoureuse, il obtiendra l’équation du quatrième degré de la surface d’onde qui, dans le cas d’un seul axe, se décompose en une sphère et un ellipsoïde.

En mai 1823, Fresnel est élu à l’Académie des sciences à l’unanimité. Le 6 juillet 1827, Arago lui remet la médaille Rumford de la Royal Society de Londres. Il décède le 14 juillet 1827.

 

À lire :

Jean-Louis Basdevant, « Le Mémoire de Fresnel sur la diffraction de la lumière », OpenEdition Journals [en ligne], consulté le 22 mars 2022. URL : https://journals.openedition.org/bibnum/749

Claude Brezinski, Ampère, Arago et Fresnel. Trois hommes, trois savants. 1775-1853, Hermann Éditeurs, Paris, 2008

Bernard Maitte, La Lumière, Éditions du Seuil, Paris, 1981

 

Crédits photos :

Illustration de la page d’accueil : Portrait d’Augustin Fresnel © Archives Académie des sciences

Illustration du chapô : Lentilles de Fresnel du premier ordre fabriquées en 1870 exposée au Musée national de la Marine à Paris. © WikiCommons

Illustration de la notice générale : Note de Broglie sur Augustin Fresnel © Académie des sciences

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