Sciences & Techniques: Huygens : 300 ans de lumière ondulatoire

« Les phénomènes astronomiques réclament, pour être parfaitement décrits, des mesures de position céleste et des heures depassage.

Les mesures de position étaient faites avec des alidades (lunette orientable permettant de mesurer les angles verticaux) etdes cercles gradués.

Ces repérages étaient beaucoup plus précis que les chronométrages de l'époque faits avec des sabliers ou deshorloges à foliot - dont l'organe réglant est une sorte d'altère montée sur un axe vertical et oscillant autour de cet axe.

Il y avait là unelacune qui freinait beaucoup le développement de l'astronomie. Or, Galilée , qui avait déjà inventé la lunette, avait aussi découvert que les oscillations du pendule libre - une boule au bout d'un fil - découpent le temps en intervalles égaux (même délai pour chaque aller-retour).

Huygens s'empressa d'exploiter la découverte et fut lepremier à fabriquer, en 1656, une horloge à pendule oscillant.

Le gain en précision par rapport aux foliots atteignait 60 fois, ce qui étaitlittéralement colossal : la dérive journalière passait de quinze minutes à quinze secondes. Toutefois, certaines irrégularités liées à l'amplitude des oscillations amenèrent Huygens à se pencher sur la théorie mathématique desoscillations, et de là à faire d'importantes découvertes sur la dynamique des systèmes oscillants, sur les moments d'inertie, sur lescourbes mathématiques associées aux phénomènes pendulaires, etc.

Il découvrit ainsi la formule donnant la période d'un pendulesimple ou composé, les propriétés des cycloïdes, le théorème - qui porte son nom - relatif aux moments d'inertie et la formule de laforce centrifuge dans les mouvements circulaires. En 1665, il partit s'établir en France à la demande de Colbert, alors contrôleur général des finances de Louis XIV, et y poursuivit sesrecherches en dynamique.

En 1669, il publiait un mémoire donnant les lois du choc élastique - bille de pierre tombant sur du marbre,boules de billard, etc.

-, ouvrant là un nouveau domaine de la mécanique générale.

Quelques années plus tard, il se penchait denouveau sur les horloges, car, si le pendule libre avait bien résolu le problème pour des instruments fixes posés au sol, il se révélaitcomplètement inadapté sur les navires. Or, la navigation a besoin d'un garde-temps fidèle et précis pour connaître la position en mer, mais le roulis et le tangage des bateauxperturbaient complètement les oscillations d'un pendule.

Huygens trouva une solution en fabriquant, dès 1676, le premier chronomètrede marine utilisant une roue oscillante liée à un ressort spiral. La même année, une découverte fondamentale allait ramener son intérêt vers les problèmes de l'optique : le Danois Roemer, travaillantà l'Observatoire de Paris, découvrit, en observant les satellites de Jupiter, que la lumière ne se propage pas de manière instantanéecomme on l'avait toujours pensé jusque-là.

Ses premières estimations étaient un peu éloignées de la valeur juste : il trouva 350000km/s, alors que les mêmes mesures, sur les satellites de Jupiter, faites avec les instruments actuels donnent 299840 km/s. Il est vrai que les lunettes astronomiques sous Louis XIV n'avaient pas la même précision optique que celles d'aujourd'hui, malgré leprogrès considérable apporté par les méthodes de polissage de Huygens.

La découverte de Roemer restait néanmoins incontestable,et le fait que la lumière n'aille pas instantanément d'un point à un autre fut une révélation stupéfiante pour le monde scientifique.

Elleobligeait, du même coup, à se pencher sur la nature de la lumière, et c'est là que Huygens apporta une contribution si importante qu'ilpeut être considéré comme le fondateur de l'optique physique. A l'époque, on imaginait souvent la lumière sous forme de particules jaillissant des corps éclairés, mais la vérité oblige à dire que la plupart des scientifiques n'allaient pas plus loin, ou même se désintéressaient du problème.

Pourtant, l'Anglais Robert Hooke, en1665, avait supposé que la lumière était formée d'ondes comme les vagues, mais il n'avait aucune preuve pour étayer son idée.

Et surtout Newton , qui était déjà fort célèbre en 1680 pour ses découvertes en astronomie, en mécanique, en mathématiques, et aussi en optique et qui penchait pour la théorie corpusculaire et refusait l'idée ondulatoire. Huygens, pour sa part, était opposé à la lumière corpusculaire pour une raison qui relevait assez de ses recherches en mécanique, etplus particulièrement de celles concernant les collisions élastiques : si la lumière, disait-il, est faite d'un vol de particules, alors quanddeux rayons se croisent il va y avoir collision de ces particules et on devrait observer une déviation et un éparpillement de ces rayons. L'expérience montre qu'il n'en est rien. Il admit donc que la lumière est faite d'ondes similaires aux ondulations qui s'élargissent sur l'eau à la chute d'un caillou ; en revanchele milieu de propagation de ces ondes restait indéfini, et Huygens montra qu'il n'était pas nécessaire de connaître les propriétés de cemilieu pour prouver la nature ondulatoire de la lumière.

Qui plus est, la perturbation qui se propageait de proche en proche et quiconstituait le mouvement lumineux restait elle-aussi une inconnue. En gros, on pouvait imaginer le milieu de propagation comme une gelée style gelée de groseilles et la perturbation comme undéplacement de ses particules par rapport à leur position normale.

Cela peut sembler un peu flou et pas très scientifique, mais il fautbien voir qu'à cette époque la propagation des ondes dans un milieu élastique était encore très mal connue : les vibrations mécaniquesou les processus sonores étaient étudiés de manière très empirique et sans base théorique ou mathématique solide. Huygens lui-même venait tout juste de mettre en équations un mouvement oscillant aussi simple que celui du pendule, et il lui fallutdonc un singulier trait de génie pour bâtir une théorie cohérente et précise de la lumière sur des bases aussi sommaires - l'outilmathématique nécessaire, à savoir les fonctions sinusoïdales et leur composition, ne viendra que plus tard après l'invention par Leibnizdu calcul différentiel. Il n'en reste pas moins que le principe de Huygens allait permettre d'expliquer la réfraction et d'en retrouver la formule fondamentale, etaussi de construire géométriquement le rayon réfracté à partir des indices de réfraction.

Huygens considérait donc la lumière issued'une source ponctuelle, par exemple une étoile ou une petite zone d'une surface éclairée, comme une perturbation se propageant par ondulations. Tout point perturbé agit à son tour comme une source de perturbations ondulatoires, de sorte que le phénomène lumineux se propage. »