Histoire de l’Optique (1ère partie)

L’optique, c’est la science liée à la lumière et surtout les façons dont cette dernière transporte diverses informations. C’est à partir de ces principes fondamentaux (formation des images, propagation des rayons lumineux, nature des couleurs…) que s’imbriquent toutes les connaissances physiques et biologiques qui permettront de comprendre les troubles de la vision et de les soigner. Bienvenue dans la grande Histoire de l’optique.

Histoire de l’optique : dans l’Antiquité

Dans notre dossier sur les lunettes à travers les âges, nous avions évoqué les premiers travaux de Sénèque évoquant l’utilisation de globes remplis d’eau. Il s’agissait alors d’une des premières tentatives d’apprivoisement de la lumière.

Au-delà des outils utilisés, les premières théories sur la lumière apparaissent en Grèce Antique. Mais celles-ci restent floues. Aristote assimile rapidement la lumière au feu, d’autres l’associent aux yeux, voire à la nature même des objets qui nous entourent.

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C’est Euclide, disciple d’Aristote, qui écrivit en premier un manuscrit où le terme de rayon lumineux apparaît, utilisant ainsi des données géométriques pour tenter d’expliquer la propagation de la lumière.

Mais la première grande avancée faisant écho au travaux d’Euclide arrive un siècle plus tard, quand Ptolémée rédige un traité intitulé Optique, dans lequel il est fait mention de réflexion, couleurs et réfraction.

Ptolémée démontre notamment que l’angle de réfraction croît en même temps que l’angle d’incidence.  Pour lui, la vision est le résultat de l’émission de la lumière par l’œil et par les objets.

La poursuite des premiers travaux

Ce sont vers les arabes qu’il faut plus tard se tourner pour voir se poursuivre les travaux des grecs. Le philosophe Al-Kindi s’intéresse, au IXème siècle, à l’étude des miroirs ardents, un système de miroirs permettant de réfléchir vers un même point les rayons solaires tombant en leur centre.

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Il développe aussi, en s’intéressant aux couleurs, la théorie selon laquelle le bleu azur du ciel n’est pas sa vraie couleur, mais qu’elle est en fait un mélange d’obscurité et de lumière solaire réfléchie par des particules terrestres dans l’atmosphère.

Enfin, il soutient que « toute chose dans le monde émet des rayons dans toutes les directions, ce qui remplit le monde entier ».

Ibn Sahl, mathématicien Persan du Xème siècle, expose la façon dont les miroirs courbes et les lentilles peuvent focaliser la lumière en un point. C’est la première foi que la loi de la réfraction est mentionnée.

Poursuivant les travaux de ses illustres prédécesseurs, Alhazen va contredire les Grecs, et notamment Ptolémée, sur le fait que l’œil émettrait de la lumière. Selon lui, c’est la lumière du soleil, diffusée par les objets qui pénètre l’œil. Il écrit un ouvrage consacré à la physique optique pour prouver scientifiquement cette théorie d’Aristote.

Très célèbre, Alhazen était présent sur les billets de 1000 dinars irakiens, avant que Sadaam Hussein ne s’installe sur l’ensemble d’entre eux.

Après ces découvertes prometteuses, les travaux de recherche sont mis à mal par l’émergence toute nouvelle de l’Eglise Catholique en Europe. Celle-ci, soucieuse de voir contredits les écrits de la Bible, se charge d’interdire les recherches scientifiques et de punir leurs auteurs. La médecine est l’affaire des prêtres qui, bien souvent, s’en remettent à Dieu.

Toutefois, certains n’hésitent pas à brader les interdits, et au XIIIème siècle naissent les premières paires de lunettes dites modernes.

Dompter la lumière !

En 1609, la rumeur de l’existence d’une longue-vue, fabriquée par un opticien hollandais, et permettant de grossir sept fois les objets arrivent jusqu’aux oreilles de Galilée. Parvenant à tester l’objet, Galilée constate une déformation énorme des objets et décide lui-même de concevoir sa propre lunette.

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Il réussit à l’améliorer pour lui permettre de grossir jusqu’à trente fois les objets et de lui offrir la possibilité d’observer les étoiles. Là encore, l’instrument déforme les objets mais, obtenant une image droite, Galilée reste persuadé qu’il observe la réalité.

C’est ensuite Johannes Kepler qui va étudier l’optique et notamment les travaux d’Alhazen. Il réunit ses connaissances dans son ouvrage Astronomia pars Optica, publié en 1604. On y trouve quelques principes fondamentaux de l’optique moderne comme la nature de la lumière (rayons, intensité variant avec la surface, vitesse infinie…), les miroirs plans et courbes, la chambre obscure, les lentilles et la loi de réfraction i = n × r.

Kepler constate que la réception des images est assurée, non par le cristallin, mais par la rétine.

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Ces travaux, René Descartes les utilisent pour son traité intitulé Dioptrique. Il y expose pour la première fois une loi fondamentale de l’optique, à savoir la loi de la réfraction.

Il faut noter que cette loi est toujours considérée, partout sauf en France, comme la découverte de Snell et non de Descartes. Des doutes subsistent sur la découverte de la loi par le français, d’aucuns arguant que ce dernier aurait eu connaissance des travaux de Snell, mort avant d’avoir pu les publier.

La loi de Snell-Descartes, dite Loi de Réfraction :

Enchaînement de découvertes

Les recherches optiques vont, à partir de là, rapidement progresser. Considéré comme l’un des plus grands scientifiques de l’Histoire, Isaac Newton contribuera de façon extrêmement importante aux théories optiques.

En 1666, il commence ses premières expériences sur la décomposition de la lumière. En faisant passer les rayons du Soleil à travers un prisme produisant un arc-en-ciel de couleurs, il va conclure que la couleur est dans la lumière et non dans le verre et que la lumière blanche que l’on voit est en réalité un mélange de toutes les couleurs du spectre visible par l’œil.

Dans son traité Optiks, publié en 1704, il développe ainsi la théorie des couleurs, l’étude de la réfraction, la théorie corpusculaire de la lumière (sur laquelle il restera prudent) et la diffraction de la lumière.

Enfin, il commence à envisager une théorie selon laquelle les grains de lumière créent un phénomène ondulatoire, qui sera reprise par Huygens, grand mathématicien néerlandais. Cette théorie sera présentée en 1678 et publiée en 1690 dans le Traité de la Lumière.

Le caractère ondulatoire et corpusculaire sera alors repris dans les recherches de la première moitié du XXème siècle, ouvrant ainsi les portes de l’optique moderne.

Sources : Ophtaplus, Universalis