Chronologie de l'optique

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Un ovale de quartz translucide supporté par un portoir blanc à trois branches.
La lentille de Nimrud, conservée au British Museum, est peut-être la plus ancienne lentille à usage optique qui ait été retrouvée, mais sa destination reste encore disputée. La seconde plus ancienne lentille dont l'utilisation en optique est, elle, incontestable, serait datée du Ve siècle av. J.-C. et proviendrait de la Grèce antique.

Cet article dresse une chronologie de l'optique, non exhaustive, mais indiquant les grandes dates ayant ponctué ces domaines de la physique.

L'histoire de l'optique a été jalonnée de grandes découvertes sur les principes de cette science, de progrès techniques dans la réalisation d'appareils et de controverses sur la nature même de la lumière. L'optique a longtemps été une science de la vision et de l'explication des phénomènes météorologiques, comme les arcs-en-ciel ou les mirages, avant d'être liée à l'astronomie et la réalisation de télescopes. Plus tard, alors que la nature même de la lumière fait l'objet de débats dans la communauté scientifique, l'optique finit par rejoindre l'électromagnétisme puis la mécanique quantique.

Antiquité[modifier | modifier le code]

On doit les premiers écrits et recherches concernant l'optique au chinois Mozi (-490 à -405) qui discute de plusieurs aspects d'optique géométrique. Son « Livre du Mohisme » apparaît avant même les premiers écrits étudiant l'optique comme science en Grèce antique[1], que l'on doit à Empédocle au Ve siècle av. J.-C. et Euclide vers le IVe siècle av. J.-C. ou IIIe siècle av. J.-C. qui étudièrent la lumière, et plusieurs phénomènes comme la réflexion[2]. L'optique reste pendant des siècles, de l'Antiquité au XVIe siècle, une discipline quasiment entièrement tournée vers la vision et les phénomènes météorologiques[3]. Les observations et découvertes optiques de cette époque s'opèrent de manière quasiment indépendante sur différentes régions du globe : certaines découvertes ont lieu à quelques siècles d'écart en Asie, en Afrique et en Europe avec des migrations lentes de connaissances entre ces grandes régions.

  • Milieu du IIIe millénaire av. J.-C. — Apparition du verre en Égypte[4].
  • Vers 2600 av. J.-C. — Plus anciennes lentilles à but décoratif trouvées sur des statues égyptiennes pour simuler les yeux[5].
  • Entre 750 av. J.-C. et 710 av. J.-C. — fabrication de la lentille de Nimrud, plus ancienne lentille à usage optique trouvée à ce jour[6],[7].
  • VIe siècle av. J.-C. — La lumière est considérée par Alcméon de Crotone et l'école pythagoricienne comme un feu jaillissant de l’œil théorie qui sera utilisée et développée par l'école stoïcienne et jusqu'à l'époque de Théophraste sous des formes de plus en plus complexes[8].
  • 424 av. J.-C.Aristophane conçoit une lentille sous la forme d'un globe de verre rempli d'eau, Sénèque dit que cet outil permet de « lire des lettres aussi petites et indéchiffrables qu'elles soient »[4].
  • Fin du Ve siècle av. J.-C.Mozi aurait mentionné pour la première fois la camera obscura[9], et rédige avec ses élèves les compte-rendu de ses réflexion sur l'optique géométrique et ses grands principes[1].
    • Le courant mohiste, issu des enseignements et des livres écrits par Mozi, s'intéresse entre autres à la géométrie et pose les fondements de l'optique géométrique en Extrême-Orient : comme le trajet de la lumière en ligne droite, la formation d'image par un sténopé, un miroir sphérique et un miroir plan[10] ou la relation entre lumière et formation des ombres[11]. La période de guerre qui entoure l'époque de rédaction de cette oeuvre fait sombrer ces théories dans l'oubli jusqu'aux dynasties Tang et Song[1].
    • Un continent sépare Mozi d'Euclide, qui traite une partie de ces propriétés (notamment la lumière se propageant en ligne droite) un siècle plus tard.
  • IVe siècle av. J.-C.Aristote traite dans ses « Problèmes » d'une camera obscura ou d'un sténopé[9].
  • IIIe siècle av. J.-C.Euclide aborde la réfraction et la réflexion, notant que la lumière voyage en ligne droite dans son livre « Optique »[4]
    • On sait qu'à cette même période les techniques du moulage et du recuit du verre sont maîtrisées en Inde[12]
  • entre le Ier siècle et le IIe siècle — Cléomède et Ptolémée font leurs premières études de la réfraction atmosphérique[13].
  • 130 — Ptolémée décrit dans son « Optique » différentes propriétés de la lumière, dont la réflexion, la réfraction et la couleur, et recense dans des tables les angles de réfraction pour de multiples matériaux[14].
  • Début du IIe siècle — Les sciences et techniques du verre arrivent à leur première apogée. On sait souffler le verre, faire des miroirs, le rendre transparent, etc. Les prochaines avancées n'ont lieu que treize siècles plus tard à l'époque moderne[15].
Fresque.
Fresque à Florence (Italie) de la défense légendaire d'Archimède contre une flotte romaine, en utilisant un miroir géant pour brûler les vaisseaux ennemis depuis la côte.

Moyen Âge[modifier | modifier le code]

Le Moyen Âge est une période historique s'étendant du Ve siècle au XVe siècle. En Europe elle correspond à la période entre la chute de Constantinople et le début de la Renaissance, en Asie cette période est marquée au début par l'expansion de l'empire arabe et s'achève vers la fin de l'expansion de l'empire mongol.

  • 940 — Le Hua Shu liste quatre types de lentilles différentes[16].
    • Il faut noter que contrairement à la vision atomistique alors en vogue en Occident, en Asie, le concept d'onde étant plus accepté, la lumière est considérée comme une onde[16].
  • 1021 — Ibn al-Haytham écrit le Traité d'optique, dans lequel il étudie le mécanisme de la vision[6] et observe le phénomène de réfraction atmosphérique[13].
    • Le Traité d'optique est considéré comme un ouvrage fondateur et un des plus grands progrès en optique de l'époque[17].
    • Outre les sujets mentionnés, le Kitāb al-Manāẓir aborde aussi la réfraction, la réflexion et le grandissement des lentilles.
  • 1050 — Shen Kuo écrit le Mengxi Bitan (梦溪笔谈) dans lequel il traite de la théorie et des calculs sur l'imagerie par un sténopé, les miroirs sphériques, ainsi que des observations sur les couleurs : couleurs d'interférences sur des films fins, couleurs de diffraction, de la luminescence, etc.[18]
  • Circa 1250 — Roger Bacon rédige l’Opus major dans lequel il décrit les résultats de ses expériences sur des lentilles convergentes et sa constatation de leurs propriétés focalisatrices[19].
  • 1279[20] — Zhao Youqin (赵友钦) rédige le Ge Xiang Xin Shu (革象新书), « Nouveaux écrits sur les corps célestes » en français, un traité retraçant ses expériences précises visant à expliquer et démontrer le principe du sténopé[21].
  • 1285 — Invention en Italie des lunettes de vue par un moine dominicain, Alexandro della Spina, et son ami Salvino d'Armati de Florence[22].
arc-en-ciel en demi-cercle sur ciel gris, une maison à gauche et la mer à droite séparées par une route et de la pelouse
Arc-en-ciel capturé à Clacton-on-Sea (Essex, Royaume-Uni) en 2012.

XVIIe siècle[modifier | modifier le code]

Durant ce siècle, la question de la nature de la lumière est largement pondérée, et deux théories voient le jour, la théorie ondulatoire et la théorie corpusculaire, qui coexistent quelques années au milieu du siècle jusqu'à ce que la théorie corpusculaire prenne le pas sur l'ondulatoire sous l'influence de Newton[25],[26]. De manière générale ce siècle est considéré comme la véritable naissance de l'optique[26] qui est étudiée désormais comme une discipline scientifique à part entière, la lumière un phénomène physique en soi indépendant de la vision et de l'œil[3].

  • 1604 — Johannes Kepler rédige les « Paralipomènes à Vitellion » dans lesquels il démontre que l’œil est soumis aux lois de l'optique[27].
  • 1611 — Kepler découvre la réflexion totale[28].
  • 1621 — Willebrord van Roijen Snell découvre expérimentalement la loi de réfraction qui porte son nom[2],[28].
  • 1637 — René Descartes réécrit la loi de Snell sous la forme plus connue de nos jours[28] et dérive de manière quantitative les angles sous lesquels peuvent être observés les arcs-en-ciel primaires et secondaires par rapport à l'angle d'élévation du Soleil.
    • On doit à Descartes la théorie selon laquelle la lumière est une pression transmise par l'éther[2].
    • Selon Descartes les couleurs étaient alors causées par les vitesses de rotation différentes des particules de l'éther[2].
  • 1657 — Pierre de Fermat introduit le principe du moindre parcours en optique : « La nature agit toujours par les voies les plus courtes et les plus simples »[2].
  • 1663 — Robert Boyle observe pour la première fois le phénomène d'interférence appelé anneaux de Newton[29],[30].
  • 1665 — Robert Hooke, indépendamment de Boyle en 1663, découvre les anneaux de Newton de son côté, ainsi que la « présence de lumière dans l'ombre », due en fait à la diffraction, observation qui est faite aussi indépendamment et la même année par Francesco Maria Grimaldi[30],[28].
    • Hooke est un des premiers à défendre la théorie selon laquelle la lumière serait une vibration se propageant à grande vitesse voire instantanément[30],[26].
  • 1666 — Isaac Newton découvre que la lumière blanche est composée des couleurs décomposées par un prisme et que chaque couleur est caractérisée par sa propre réfrangibilité[30].
  • 1669 — Rasmus Bartholin découvre la « double réfraction », la biréfringence, générée par cristaux de calcite[30].
    • Newton était un fervent tenant de la théorie corpusculaire de la lumière[30].
  • 1674 — George Ravenscroft élabore le premier verre flint au plomb[31].
  • 1675 — Ole Christensen Rømer découvre que la vitesse de la lumière est une valeur finie, grâce à l'observation des satellites de Jupiter[30] et l'estime à 214 000 km s−1 à ± 30%[32].
  • 1678 — Christian Huygens achève son « Traité de la lumière », publié en 1690 à Leyden, dans lequel il décrit la théorie ondulatoire de la lumière, explique la diffraction des rayons, la réflexion, la réfraction et énonce le principe à son nom montrant que chaque point de l'éther peut être considéré comme une source microscope d'onde lumineuse. Il explique aussi le phénomène de « double réfraction » ou polarisation[30].
    • Malgré la parution de l'ouvrage, la théorie ondulatoire est réfutée par Newton qui impose sa théorie[26] et ne sera plus employée pendant presque un siècle, à part par quelques scientifiques comme le mathématicien Leonard Euler[33].

XVIIIe siècle[modifier | modifier le code]

XIXe siècle[modifier | modifier le code]

C'est au cours de ce siècle que le conflit autour de la nature de la lumière, corpusculaire ou ondulatoire, reprend, avec la réapparition de la théorie ondulatoire grâce aux travaux de Young, et se résout par la prééminence de la théorie ondulatoire. Ce siècle est aussi marqué par la montée en puissance des recherches sur l'éther, l'éther luminifère, etc.

À partir de 1820-1830, le développement de la théorie de l'éther élastique prend le pas sur les autres théories de l'éther[36]. Ces recherches amenèrent de nombreux progrès en optique et de nombreuses découvertes mais les fondations de l'optique demeurèrent branlantes, reposant sur une théorie fausse[38].

XXe siècle[modifier | modifier le code]

À partir du début du XXe siècle, l'optique, comme beaucoup de champs de la physique, s'est vue transformée par la découverte de la théorie des quanta[2] et la nature duale de la lumière se voit expliquée.

Prix Nobel du champ de l'optique
Année Récipiendaires Domaine Sujet Réf.
1907 Albert Abraham Michelson métrologie optique
spectroscopie
« Pour ses instruments optiques de précision et les études spectroscopiques et métrologiques qu'il a menés grâce à ces appareils. » [45]
1908 Gabriel Lippmann Interférences « Pour sa méthode de reproduction des couleurs en photographie, basée sur le phénomène d'interférence. » [45]
1914 Max von Laue Diffraction « Pour sa découverte de la diffraction des rayons X par les cristaux. » [45]
1966 Alfred Kastler Optique atomique « Pour la découverte et le développement de méthodes optiques servant à étudier la résonance hertzienne dans les atomes » [46]
1971 Dennis Gabor Holographie « Pour son invention et le développement de la méthode holographique. » [47]
1981 Nicolaas Bloembergen
Arthur Leonard Schawlow
Spectroscopie « Pour leurs contributions au développement de la spectroscopie laser. » [47]
1986 Ernst Ruska Optique électronique « Pour son travail fondamental en optique électronique, et pour la conception du premier microscope à électrons. » [48]
1997 Claude Cohen-Tannoudji
Steven Chu
William D. Phillips
Laser
Atomes froids
« Pour le développement de méthodes servant à refroidir et à confiner des atomes à l'aide de la lumière laser. » [48]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a, b et c Gan 2014, p. 2
  2. a, b, c, d, e et f Born et Wolf 1993, p. xxi
  3. a et b Mondot 2005, p. 34
  4. a, b, c et d King 1955, p. 25
  5. (en) Arthur Henry Guenther, International Trends in Applied Optics, SPIE Press, (ISBN 9780819445100, lire en ligne), p. 632
  6. a et b Pears, Liu et Bunting 2012, p. 3
  7. (en) David Whitehouse, « World's oldest telescope? », sur BBC News, BBC Online Network, (consulté le 22 mars 2012)
  8. Bubb 2010, p. 23
  9. a et b Bubb 2010, p. 20
  10. Lu 2014, p. 21
  11. Lu 2014, p. 302
  12. Unesco, Histoire de l'humanité – Vol. III: Du VIIe siècle av. J.-C. au VIIe siècle de l’ère chrétienne, UNESCO, (ISBN 9789232028129, lire en ligne), p. 809
  13. a, b et c Marchand 1978, p. 1
  14. Bernard Balland, Optique géométrique: imagerie et instruments, PPUR presses polytechniques, (ISBN 9782880746896, lire en ligne)
  15. Unesco, Histoire de l'humanité – Vol. III: Du VIIe siècle av. J.-C. au VIIe siècle de l’ère chrétienne, UNESCO, (ISBN 9789232028129, lire en ligne), p. 92
  16. a et b Albert Ollé-Martin et Violaine Decang, Histoire de l'humanité: 600-1492, UNESCO, (ISBN 9789232028136, lire en ligne), p. 241-242
  17. a et b Albert Ollé-Martin et Violaine Decang, Histoire de l'humanité: 600-1492, UNESCO, (ISBN 9789232028136, lire en ligne), p. 243
  18. Lu 2014, p. 305
  19. King 1955, p. 27
  20. Révisions et publications du Ge Xiang Xin Shu, Individual itineraries and the circulation of scientific and technical knowledge in East Asia (16th–20th centuries)
  21. Lu 2014, p. 306
  22. King 1955, p. 27-28
  23. Albert Ollé-Martin et Violaine Decang, Histoire de l'humanité: 600-1492, UNESCO, (ISBN 9789232028136, lire en ligne), p. 274
  24. http://www2.hu-berlin.de/glasblower/pdf/Vom%20Lesestein%20zum%20Lithiumglas.pdf
  25. a et b [PDF] La vie et l’œuvre de Jean-Baptiste Biot p. 16
  26. a, b, c, d, e et f Chartier 1997, p. 25
  27. Mondot 2005, p. 36
  28. a, b, c, d, e, f et g Taillet, Febvre et Villain 2009, p. 626
  29. a et b Earthquakes: Simulations, Sources and Tsunamis sur Google Livres
  30. a, b, c, d, e, f, g et h Born et Wolf 1993, p. xxii
  31. James L. Barton et Claude Guillemet, Le verre, science et technologie, EDP Sciences, , 440 p. (ISBN 2-86883-789-1, présentation en ligne)
  32. Bernard Balland, Optique géométrique: imagerie et instruments, PPUR presses polytechniques, (ISBN 9782880746896, lire en ligne)
  33. a, b, c, d, e et f Born et Wolf 1993, p. xxiii
  34. a, b et c Giancoli 1993, p. 162-163
  35. a, b, c, d, e et f Taillet, Febvre et Villain 2009, p. 627
  36. a, b, c et d Born et Wolf 1993, p. xxiv
  37. //books.google.com/books?id=tmk1SLtLLpIC&pg=PA73
  38. a et b Born et Wolf 1993, p. xxv
  39. (en) George Biddell Airy, « On the Diffraction of an Object-glass with Circular Aperture », Transactions of the Cambridge Philosophical Society, vol. 5,‎ , p. 283-291 (lire en ligne)
  40. a, b, c et d Taillet, Febvre et Villain 2009, p. 628
  41. a, b et c Chartier 1997, p. 26
  42. Born et Wolf 1993, p. xxvi
  43. a, b, c et d Chartier 1997, p. 27
  44. Robert Clark Jones, « New calculus for the treatment of optical systems », Journal of the Optical Society of America, vol. 31,‎ , p. 488–493
  45. a, b et c Taillet, Febvre et Villain 2009, p. 618
  46. Taillet, Febvre et Villain 2009, p. 621
  47. a et b Taillet, Febvre et Villain 2009, p. 622
  48. a et b Taillet, Febvre et Villain 2009, p. 623

Bibliographie[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]