Les théories de la lumière

Reprenant une question millénaire, Albert Einstein, l'un des pères fondateurs de la physique quantique, se demandait au  au début du XXe siècle comment attraper la lumière. Pour Serge Haroche, prix Nobel de physique en 2012, celle-ci, visible ou invisible, formée de particules et d'onde à la fois, joue un rôle essentiel dans l’univers et constitue une source d’information scientifique essentielle. Des bases de l’optique posées par le mathématicien grec Euclide au IIIe siècle avant notre ère puis l'astronome médiéval Alhazen à la lumière perçue comme onde établie par Augustin Fresnel en 1818, en passant par les découvertes d'Isaac Newton au XVIIe siècle, chaque nouvelle théorie de la lumière a révolutionné notre perception du monde. Cette sélection d'émissions propose de découvrir - ou redécouvrir - l’épopée scientifique des découvertes autour de la lumière.

1. Qu'est-ce que la lumière ?

La lumière est-elle faite de petits grains, de corpuscules lumineux qu’on appelle les photons ? Ou bien est-elle constituée d’ondes électromagnétiques ? Une onde est pourtant une chose assez différente d'un corpuscule, voire son contraire. Comment y voir clair entre ces deux discours très communs qui semblent pourtant incohérents ? Dans cette émission, le spécialiste de la lumière Serge Haroche, prix Nobel de physique en 2012, se propose d'éclairer ce brouillard conceptuel. ( La Conversation scientifique, 59 min)

2. La connaissance de la lumière dans l'Antiquité

Comment la lumière fut-elle étroitement associée aux notions de droit et de justice en Mésopotamie ? Dans le cadre de "l’Année internationale de la lumière et des technologies fondées sur la lumière", le Collège de France a organisé un colloque en octobre 2015 intitulé "Lumière, Lumières" au cours duquel ses professeurs ont été invités à réfléchir sur la lumière comme phénomène... et comme métaphore. Dans cette conférence, Dominique Charpin, assyriologue, spécialiste de l’époque paléo-babylonienne, explique comment les rois, depuis ceux de Sumer, se sont identifiés au soleil et par là même, à celui qui peut rendre la justice. ( Les Cours du Collège de France, 59 min)

3. La connaissance de la lumière au Moyen Âge

Quelles connaissances le Moyen Âge avait-il dans le domaine de l’optique ? Figure marquante du monde médiéval arabo-musulman, et l’un des premiers promoteurs de la méthode expérimentale en sciences, le physicien Alhazen (Bassora, 965 – Le Caire, 1039) est l'auteur de travaux fondateurs en matière d'optique qui ont devancé de plusieurs siècles ceux des scientifiques européens à la Renaissance et influencé notamment l'astronome allemand Johannes Kepler. Au cours de cette conférence, l'historien Alain de Libéra explique la manière dont les théories de la lumière et de la vision, essor de l’optique et philosophie, se sont articulés au Moyen Âge. ( Les Cours du Collège de France, 59 min)

4. XVIIIe-XIXe siècles. De Newton à Fresnel

Au XVIIe siècle, le mathématicien britannique Isaac Newton (1643-1727) affirme que "la lumière est une mitraille de corpuscules qui se propagent dans l’espace". Deux siècles plus tard, à la suite d’expériences menées en Angleterre par Thomas Young et en France par Augustin Fresnel, se développe l’idée que la lumière n'est pas un phénomène corpusculaire, mais ondulatoire...

• 1703, Traité d'optique de Newton

La lumière est-elle nécessairement colorée, ou peut-il exister une lumière sans couleurs (qui ne seraient alors que des qualités secondes) ? Dans son Traité d’optique, Isaac Newton (1642-1727) décompose la lumière en un spectre de couleurs et affirme que celles-ci sont bien sa propriété première. Les savants du XVIIIe siècle semblent confirmer cette conception de la couleur, mais au XIXe siècle, Goethe conçoit au contraire la lumière comme une lumière blanche et naturelle. Mais sa théorie se heurte à l’incompréhension de la communauté scientifique. Querelle scientifique ou désaccord philosophique ? Dans cette émission, le philosophe Maurice Elie vient expliquer les enjeux de cette passionnante querelle qui opposa Newton, Goethe et Schopenhauer. ( Les Chemins de la philosophie, 59 min)

• Comment les travaux d'optique de Newton ont-ils révolutionné la peinture ?

Au XVIIe siècle, le sujet de la lumière et son observation dans la nature passionne autant les physiciens que les artistes. . Si avant les travaux d'Isaac Newton, les peintres ignoraient certaines propriétés de la lumière, après eux ils vont être nombreux à se passionner pour le sujet, allant comme Nicolas Poussin à se procurer un prisme afin de la décomposer. Au cours de cette conférence, la peintre Pascale Hémery revient sur cette démarche des peintres du XVIIe siècle qui associe observation et expérience. ( Les Cours du Collège de France, 59 min)

• 1818-1822, les travaux décisifs d'Augustin Fresnel

Corpusculaire ou ondulatoire ? Quelle est la nature exacte de la lumière ? Les débats autour de cette question ont agité les physiciens européens dès le début du XVIIIe siècle. Ce n’est qu’en 1819 en France, que l’Académie des Sciences tranche. Les expériences d’Augustin Fresnel, qui ont fini par convaincre les académiciens, ont donné naissance à la première théorie ondulatoire de la lumière. Cette émission revient sur cette histoire, et explique la façon dont la physique a progressé dans sa compréhension de la nature de la lumière. ( La Méthode scientifique, 58 min)

5. Au XXe siècle, la révolution de la physique quantique

Si le XIXe siècle a partiellement répondu aux questions que se posent les scientifiques sur la nature de la lumière, le XXe siècle a complété ces réponses en montrant que la lumière était un phénomène plus complexe et recelait d'autres mystères encore. A la fois onde et particules, la lumière a ouvert la voie à un monde souvent contre-intuitif mais riche de nouvelles perspectives avec notamment le développement de la physique quantique.

• Théoriser la lumière, une façon d'appréhender le monde

Des bases de l’optique posées par Alhazen au Moyen Âge à la lumière comme onde établie par Fresnel en 1818 puis aux équations de Maxwell et à la relativité d’Einstein, comment l’observation de la lumière a-t-elle révolutionné notre vision du monde ? Dans le cadre de l’Année internationale de la lumière, le Collège de France a organisé un colloque en octobre 2015 intitulé "Lumière, Lumières" au cours duquel ses professeurs, mais aussi des artistes et différents spécialistes de divers domaines ont été invités à réfléchir sur la lumière comme phénomène, comme métaphore et aussi comme courant historique.  ( Les Cours du Collège de France, 59 mn)

6. Au XXIe siècle

Le XXIe siècle voit se développer l'exploitation des propriétés de la lumière physique, visible ou invisible, sous toutes ses formes, des rayonnements micro-ondes au nombreuses technologies qui utilisent le laser.

• La lumière, de l'infiniment grand à l'infiniment petit

Comment la lumière peut-elle servir l'exoplanétologie, discipline qui étude les planètes en orbite autour des étoiles autres que le soleil ? Et par exemple permettre de déterminer si une planète est gazeuse ou rocheuse ? Au cours de cette conférence, l’astrophysicienne Anne-Marie Lagrange présente l’apport de l’imagerie directe et le système d’optique adaptative qui ont permis de réaliser les premières images d’exoplanètes. ( Les Cours du Collège de France, 59 min)

• Grand entretien avec Serge Haroche, Prix Nobel de physique en 2012

Serge Haroche, l'un des plus grands spécialistes de la lumière, a consacré de nombreux travaux à son interaction avec la matière au niveau fondamental. Au cours de cet entretien, le physicien retrace les moments-clés de l’histoire de la compréhension de la lumière, dans le champ de la physique comme dans celui de la philosophie, et donne à entendre comment l’humanité a compris, pas à pas, par approximations/erreurs/mesures de plus en plus précises, ce qu’est la lumière, source de notre perception de l’univers, depuis qu’elle était considérée dans l’Antiquité comme un attribut divin. ( La Méthode scientifique, 58 min)