Michel Blay, Isaac Newton, Optique, éditions Dunod, 2015, 204 pages, 15 €, et Christian Huygens, Traité de la lumière, éditions Dunod, 2015, 384 pages, 16 €

1L’Optique a toujours fasciné les hommes depuis l’antiquité. Les théories aristotéliciennes ont été à la base des connaissances scientifiques du monde occidental jusqu’au-delà du moyen-âge. En cette année 2015 consacrée à la célébration de la lumière, au cœur de tant de technologies si souvent ignorées du public, il est particulièrement intéressant de comprendre les travaux qui ont contribué au dévoilement progressif de sa « vraie » nature. Deux ouvrages récents viennent nous rappeler les œuvres de savants opticiens de la fin du xvii^e siècle, Isaac Newton et Christian Huygens. Ces livres sont publiés sous la responsabilité de Michel Blay, historien des sciences dont les travaux sur l’Optique font autorité. Ils sont tous deux conçus de la même façon : les textes originaux de Newton et de Huygens, comportant les croquis originaux de la main des auteurs, précédés par une longue présentation de Michel Blay, elle-même pourvue d’une très abondante bibliographie. On entame ainsi une lecture érudite, savamment guidée et expliquée par l’historien. On peut suivre ainsi la progression des expériences, l’articulation des hypothèses et le cheminement de la pensée de ces très grands scientifiques, reflétant fidèlement les processus d’élaboration de certitudes continuellement remises en question au fil du temps.

2Comme la plupart des grands savants du passé, la culture de Newton était vaste et ses intérêts scientifiques très variés. Il connaissait très bien les travaux de ses illustres prédécesseurs tels que Kepler, Galilée, Descartes ou les anglais Boyle et Hooke. Ses apports à l’astronomie ont été majeurs avec des investigations sur la gravitation, le mouvement des planètes et plus généralement le concept d’Univers en mouvement, révélés dans ses très célèbres Principia Mathematica de 1687. Le texte d’optique de Newton présenté ici a été publié en 1704 ; il résulte d’une quarantaine d’années de tâtonnements, d’expériences faites par lui-même, de mathématisation des concepts, ponctuées de controverses avec ses collègues : c’est son grand livre d’Optique, le Traité d’Optique ; sur les réflexions, réfractions, inflexions et couleurs de la lumière. Écrit en anglais, il est ici donné dans la traduction française faite par Jean-Paul Marat en 1787. Il est très intéressant de noter, comme le souligne Michel Blay, que ses trois parties sont complétées par des questions servant de conclusion à l’ouvrage. Avec modestie et rigueur intellectuelle, Newton déclarait : « Je ne mélange pas les conjectures avec les certitudes ».

3La naissance de l’optique classique démarre avec Kepler et Galilée au début des années 1600, grâce à l’invention et au perfectionnement de la lunette d’approche et des lentilles. La genèse de l’optique newtonienne remonte aux années 1660-1670 et s’articule autour des questions posées par les phénomènes de la couleur, totalement inintelligibles à l’époque. Newton s’appuie sur les expériences qu’il monte en utilisant le prisme. Non seulement il décompose la lumière, mais il procède également à l’expérience inverse : il fait passer un spectre multicolore à travers un prisme, ce qui donne de nouveau une lumière blanche. Il explique sa découverte dans son Opticks dès 1675 et donne même la première théorie mathématique de l’arc-en-ciel. L’étude des anneaux noirs et colorés obtenus avec une lame mince d’air pressée entre deux surfaces de verre lui permet d’aller encore plus loin : la progression mathématique de la taille des rayons des anneaux en fonction de la couleur est pour lui une première indication qui s’apparente à la notion de longueur d’onde. Il va jusqu’à en déduire une mesure de la période pour la lumière jaune : 0.285µ ! Les anneaux de Newton s’interprètent très aisément depuis le début du xix^e siècle en termes d’interférences. Mais pour Newton, si les expériences des anneaux lui suggèrent bien une certaine périodicité dans le mouvement lumineux, il les interprète dans la perspective privilégiée d’une conception corpusculaire de la lumière. Toujours guidé par cette conception, il parvient à un modèle hétérogène de la lumière blanche où les particules constituant les rayons incidents possèdent des vitesses ou des masses différentes. La lumière apparaît faite de rayons différemment réfrangibles portant des couleurs différentes. C’est ainsi qu’il donne un modèle pour la réflexion et la réfraction à travers un milieu matériel. Par contre les franges de diffraction à l’intérieur de l’ombre des objets étroits, pourtant découvertes par son contemporain Grimaldi, ne fait pas partie des écrits de Newton. Michel Blay suggère que peut-être il ne les a simplement pas observées parce que la théorie corpusculaire ne les prédisait pas.

4Il faudra attendre l’arrivée des conceptions ondulatoires de la lumière avec Christian Huygens, suivi par Thomas Young puis Augustin Fresnel, pour que la diffraction soit comprise, puis mathématiquement formalisée et démontrée par l’expérience. Le livre publié par Michel Blay sur Christian Huygens est son illustre Traité de la lumière, dont les premières rédactions datent de 1678 et qui fut publié en français, à la suite de son séjour de douze ans en France. La théorie de Huygens se distingue radicalement de celle de Newton et s’éloigne de son hypothèse corpusculaire généralement admise, malgré le poids de l’autorité scientifique du grand savant anglais. Huygens explique que la lumière ne peut être formée de corpuscules, car deux rayons de lumière se croisant devraient se perturber. Il part plutôt de l’hypothèse que la lumière est une sorte d’ébranlement qui se propage en cercles dans un milieu étendu ou éther matériel à partir de la source, et qui est capable de se renforcer par addition. Il explique de cette façon la propagation en ligne droite, utilisant le concept de front d’onde perpendiculaire à la direction de propagation. Il dégage alors le principe célèbre dit « Principe de Huygens-Fresnel » de l’enveloppe des ondes élémentaires. Ce principe permettra à d’autres plus tard la compréhension des phénomènes de la diffraction. Dans le Traité de la Lumière, c’est surtout la réfraction à laquelle s’attache Huygens, montrant que la lumière se propage plus vite dans l’air que dans le verre et interprétant le phénomène de double réfringence de certains cristaux. Il se déclare finalement « pas pleinement satisfait » des travaux de Newton et constate : « il n’explique pas ce que c’est que la couleur dans ses rayons »…

5Les deux ouvrages commentés ici se lisent sans difficulté grâce à la présentation de Michel Blay, qui en extrait les passages les plus significatifs et les discute en les remettant dans leur contexte historique. Ils ont l’avantage de nous livrer les « vrais » textes écrits dans la langue du xviii^e siècle, avec le style propre aux grands scientifiques de l’époque, empreint de précision, d’élégance dans la formulation et de prudence dans la spéculation, à côté de l’imagination inouïe dont ils font preuve. Ils constituent aussi une belle leçon pour les chercheurs d’aujourd’hui : l’exemple de la lumière montre que sa vraie nature a fait l’objet de maints débats au cours des siècles. Les controverses sur la lumière ne se sont d’ailleurs pas arrêtées à Newton et Huygens. La vision ondulatoire de Huygens développée par Fresnel a débouché sur l’électromagnétisme de Mawxell. Cette théorie classique parfaite a été bouleversée au xx^e siècle par l’avènement de la mécanique quantique, avec le retour de l’aspect corpusculaire résultant de l’introduction du photon par Einstein à la suite des travaux de Planck sur le rayonnement thermique. Elle est encore une fois modifiée aujourd’hui par le développement de l’optique quantique, fondée sur l’intrication des fonctions d’onde. La vérité actuelle s’est bâtie sur un socle d’hypothèses qui se sont révélées successivement approximatives, voire fausses. Sera-t-telle à son tour réfutée un jour ?