Ce séminaire a pour objet de réfléchir autour de questions relatives à l’optique théorique et l’optique instrumentale, à leurs modes d’interaction, ainsi qu’à leurs liens avec d’autres domaines, telle l’astronomie. Il s’agit donc d’explorer à la fois les champs théoriques et instrumentaux dans le domaine de la lumière. Les questions qui seront à examiner concerneront ainsi les instruments, les modes d’interprétation théorique, les liens entre expérience et théorie et enfin les conditions et possibilités de réinvestissement de ces différents domaines dans le cadre de l’enseignement.

Programme

Séance du Mercredi 10 décembre 2014

14h30-17h30, salle Rothko 

Spectrométrie et Polarisation 

• Danielle FAUQUE (GHDSO-EST, Université Paris Sud, Orsay), L’apport d’une technique nouvelle à la connaissance de la matière dans la seconde moitié du XIX^e siècle : la spectroscopie

Du simple prisme utilisé par Newton à l’instrument sophistiqué de la fin du XIX^e siècle, plusieurs savants ont contribué peu à peu à un dispositif qui a révolutionné l’approche de la matière dans la seconde moitié du XIX^e siècle. Si Fraunhofer, et bien d’autres, ont considérablement amélioré le montage, c’est Antoine Masson qui au début des années 1850, en fera l’instrument compact que nous connaissons et qui prit le nom de spectroscope.

Avec Kirchhoff et Bunsen à la fin de la décennie, un tournant majeur est pris. Le brûleur de Bunsen donnant une flamme presque transparente permettait de mieux observer le spectre des substances étudiées, soit en émission soit en absorption. Une échelle micrométrique et l’ajout d’un spectre de référence vont permettre la détermination directe de la longueur d’onde par comparaison et interpolation graphique. Le spectroscope donne ainsi le moyen de déterminer la composition du Soleil, des étoiles fixes et des substances chimiques de façon aisée. Dès la publication de leurs méthodes et découvertes, c’est un engouement général. Les fabricants produisent alors ce type d’instrument en grande quantité, tout en l’adaptant aux différents besoins. La spectroscopie allait révolutionner l’astronomie, avec la naissance de l’astrophysique, et l’analyse chimique avec la découverte d’éléments nouveaux, et ses conséquences avec des tentatives d’interprétation théorique.

L’exposé, généraliste, tentera de dégager les points importants de ce développement technique portant sur chacune des trois parties du dispositif : sources, analyseurs, récepteurs, et sur ce qu’il a pu induire pour la connaissance des corps lumineux pendant la période 1850-1900, juste avant les propositions de Planck sur les quanta de lumière. Il sera fait appel aux études récentes de spécialistes comme Stéphane le Gars et Charlotte Bigg, comme à celles, nombreuses, qui, sous forme d‘une synthèse de cette technique, parurent au cours de la seconde moitié du XIX^e siècle. 

• Frédéric LECLERCQ (UMR Savoirs, textes, langage, Université Lille 3), Opposition des pratiques de Biot et de Fresnel lors des études sur la polarisation de la lumière

La découverte de la polarisation de la lumière en 1808 ouvre un champ d’études dont personne n’imagine l’étendue et la complexité. Ainsi, Jean-Baptiste Biot, savant newtonien, étudie les caractères colorés et polarisés de la lumière par de nombreuses expériences ; il parvient à insérer ce que nous dénommons maintenant polarisation chromatique dans le cadre de la nouvelle physique voulue par Laplace.

Expérimentateur habile cultivant l’émulation jusqu’à la rivalité, Biot multiplie les découvertes qui finissent par former un ensemble morcelé.

À la même époque, Fresnel, tenant de la théorie adverse des ondes, s’oppose à l’interprétation que fait Biot de la polarisation chromatique ; il étend l’application du principe des interférences et invente les situations remarquables où il s’applique.

Après avoir brossé le contexte de ces travaux, nous exposerons le changement qui intervient avec la pratique de Fresnel, les nouveaux rapports existants entre expérience et théorie lors des études sur la polarisation de la lumière et nous indiquerons la cohésion qui assure une plus forte pérennité à la théorie des ondes qu’à la théorie corpusculaire de la lumière.

Séance du Mercredi 11 mars 2015

14h30-17h30, salle Rothko 

Spectroscopie instrumentale 

• Charlotte BIGG (Centre Alexandre Koyré, EHESS-CNRS-MNHN), Les métrologies interférométriques

A la fin du XIX^e siècle et au début du XX^e siècle Albert Michelson puis les physiciens marseillais Charles Fabry et Alfred Perot entreprennent de mesurer le mètre étalon en longueurs d'ondes, mesures qui aboutiront à une "dématérialisation" de la définition du mètre. Ces travaux de haute précision, qui impliquent l'élaboration de nouveaux dispositifs expérimentaux, auront des conséquences importantes dans de nombreux domaines. Nous examinerons les efforts déployés par Fabry et Perot à partir de ces dispositifs d'une part pour reconfigurer les pratiques astrophysiciennes et contester la domination américaine dans ce champ; et d'autre part pour contribuer à la standardisation de la production des industries mécaniques. A travers ces entreprises, ainsi que la création par Fabry de l'Institut d'optique théorique et appliquée en 1920, une conception particulière du travail expérimental et de l'instrumentation est exprimée qui privilégie la très haute précision, le travail artisanal et les communautés d'experts. 

• Myles JACKSON (Albert Gallatin Research Excellence Professor of the History of Science, New York University and Alexander-von-Humboldt-Reimar-Lust Prize Winner of the Fraunhofer ITWM, Kaiserslautern), Joseph von Fraunhofer and the Communicability of Artisanal Knowledge

This talk discusses Fraunhofer's contribution to physical optics by focusing on his artisanal skill. The importance of craft knowledge to the discipline of astronomy was quite clear by the early nineteenth century; however, debates arose as to whether the possesses of such skill should be considered Naturwissenschaftler or simply Handworker. Such distinctions clearly had sociocultural and political meaning. Secrecy, which was crucial to his work-indeed, the work of all artisans at the time, was antithetical to the so-called values of nineteenth-century science. Precisely because of this secrecy, the British were at a lost to reconstruct his lenses. As a result, they could not recapture the market for optical lenses and instruments. Numerous British attitudes about the importance of craft knowledge to the scientific enterprise map onto larger social issues of the period, including the reform of patent law, scientific patronage, and the mechanization of labor. 

Séance du Mercredi 25 mars 2015

14h30-17h30, salle Rothko

La théorie des couleurs (I), 

• Friedrich STEINLE (TechnischeUniversität Berlin), The debates on color in the 18^th century

In the history of color research, Newton’s 1704 Opticks mark a decisive point. Not only did his theory of light and colors, for the first time, reach a broad audience, but he had also widened it considerably (compared to his 1672 draft), so as to deliberately address practitioners. Indeed, for decades to come, no one dealing with colors would bypass Newton’s work. But practitioners had a hard time to combine the promises of Newton’s theory with their traditions and experience, and it is fascinating to follow the various ways the dealt with the task, all the more since the general interest in color theory increased dramatically. In my talk, I shall sketch out some main lines of 18th century color research and illustrate the situation reached at the end of the century – a situation of parallel and separate efforts that would call again, at the turn to the 19th century, some researchers to ask again for a unified approach to color. 

• Arnaud MAYRARGUE (Laboratoire SPHERE, CNRS et Université Paris-7 Diderot), L’aberration stellaire et la nature ondulatoire de la lumière

L’observation des astres, souvent rendue nécessaire, par exemple pour se repérer en mer, se trouve rendue difficile en raison de l’existence de phénomènes lumineux perturbatifs. Les instruments d’observation, telles les lunettes astronomiques, peuvent être sources d’aberrations chromatiques ou sphériques. Le milieu traversé par la lumière peut également perturber le repérage ; ainsi, au du XVIII^e siècle, Bouguer a-t-il particulièrement étudié le phénomène de réfraction atmosphérique. Il existe enfin une autre cause, découverte par James Bradley en 1728, l’aberration stellaire, dont nous voulons rendre compte ici, par les conséquences que cette découverte a pu avoir du point de vue des théories sur la lumière.

Bradley avait pu expliciter le phénomène avec succès dans le cadre du système émissif newtonien, mais s’était néanmoins trouvé confronté à une conséquence de sa découverte, qui se trouvait être en contradiction avec ce même système. Au début du XIX^e siècle, Augustin Fresnel procéda à un nouvel examen du phénomène d’aberration stellaire. Il adopta pour cela le cadre de la théorie ondulatoire de la lumière, imaginé au XVII^e siècle par Christian Huygens et fut alors conduit à préciser les propriétés de l’éther lumineux, nécessaire en tant que support à la propagation des ondes. La découverte, par Fresnel et François Arago, du phénomène de polarisation de la lumière l’obligea de supposer la transversalité des vibrations lumineuses ; en conséquence, l’hypothèse nécessitait de préciser les propriétés et la structure de l’éther dans ce nouveau cadre. Un examen critique de ces propositions fut entrepris en Grande-Bretagne dans le cadre de l’hydrodynamique. Il contribua à déclencher des controverses, que nous voulons examiner ici, afin de comprendre les rôles respectifs que James Challis et George Gabriel Stokes ont pu jouer dans les propositions nouvelles qui émergèrent alors dans ce domaine. On verra notamment comment Challis fut conduit à discuter quelques hypothèses de base de la théorie ondulatoire, par exemple la question du principe de propagation rectiligne de la lumière, jusqu’à remettre en question l’ensemble de cet édifice. 

Séance du Mercredi 27 mai 2015

14h30-17h30, salle Weil 

La théorie des couleurs (II) 

• Alan SHAPIRO (University of Minnesota, Minneapolis), Newton's Assessment of Experimental Evidence in his Optical Investigations

Alexandre Koyré long ago observed that Newton's aim was "to abolish the world of 'more or less'" for a "universe of precision, of exact measures, of strict determination," but this view—echoed with some modification by others—is based on the celestial mechanics of the Principia. It applies to Newton's optical work only with some restrictions. Newton's initial and arguably most significant contribution to optics, his theory of white light and color, was largely based on qualitative experiments, and even when he made measurements, they played little role in the development of his theory. In other areas of his optical research, such as the colors of thin and thick plates, he did skillfully apply experimental measurements, but they were not always in a world of "exact measure." For one important result Newton used averages—then mathematically unjustified—and he then hid their use from readers; and for some others he presented his measurements as a range of values rather than the standard "best" single value. I intend to describe how Newton evaluated experiments, what he considered acceptable error, and how he attempted to minimize error. This will involve looking at other areas like astronomy and mechanics. 

Séance du Mercredi 10 juin 2015

14h30-17h30, salle Rothko 

Varia : mémoires et manuels. De la recherche à l’enseignement de l’optique 

• Arnaud MAYRARGUE (Laboratoire SPHERE, CNRS et Université Paris-7 Diderot), Les Doutes de D’Alembert

Newton avait discuté dans les Optical lectures (1670-1672) deux lois possibles permettant de rendre compte du phénomène de dispersion de la lumière blanche au travers d’un prisme. La première loi, quadratique, avait été élaborée, dans le cadre de la théorie de la gravitation, à partir de considérations sur la vitesse des corpuscules lumineux. L’autre loi, formulée en élaborant une échelle quantitative des couleurs, avait une expression linéaire. D’un point de vue quantitatif, ces deux lois différaient peu quant aux résultats auxquels elles conduisaient, en tout cas insuffisamment pour que leurs différences soient détectables avec les méthodes de mesures que Newton avait à sa disposition. Ce n’est que beaucoup plus tard, alors qu’il avait élaboré sa théorie de la lumière que Newton, s’appuyant sur l’analogie avec les résultats de l’harmonie musicale, adopta finalement la loi linéaire de dispersion. Il en conclue à l’impossibilité de pouvoir construire des systèmes achromatiques réfracteurs.

En 1747, Euler avait critiquéces vues de Newton et proposé une loi de type logarithmique pour rendre compte du phénomène de dispersion. S’appuyant sur ces idées, l’anglais John Dollond réussit à construire des systèmes achromatiques et publia sa découverte en 1758.

D’Alembert, dans les Mémoires 20 et 49 des Opuscules mathématiques consacrés aux lunettes achromatiques, discuta la question et exprima des doutes quant aux thèses exposées respectivement par Newton et par Euler.

Il souleva ainsi des questions épistémologiques, liées notamment aux divers choix possibles d’une loi et de son caractère nécessaire ou contingent qu’on se propose de discuter. 

• Danielle FAUQUE (GHDSO-EST, Université Paris Sud, Orsay), Les manuels d’optique pour l’enseignement : Du Smith au Fleury-Mathieu en passant par le Chwolson

Le traité d’optique de Robert Smith, paru en version anglaise en 1738 est un incontournable pour qui étudie l’optique au XVIII^e siècle. On peut le considérer comme le véritable premier manuel d’optique. Il fallut attendre trente ans pour lire les deux traductions françaises, qui parurent la même année, en 1767. L’une est due au père jésuite Esprit Pézenas, à Marseille, l’autre à Nicolas-Claude Duval-Le Roy, tous les deux professeurs de mathématiques pour les gardes de la marine. Ces deux traductions sont plutôt une adaptation, et se complètent l’une l’autre. Pézenas considère la partie théorique comme la plus importante, tandis que Duval-Le Roy insiste sur les instruments d’optique. L’original, comme les deux traductions, s’adressent autant à des débutants qu’à des personnes déjà averties. Il s’agit là d’un traité d’optique géométrique, sans postulat sur la nature de la lumière, faisant la part belle aux propriétés et aux systèmes de lentilles.

À la fin du siècle et au début du XIX^e siècle, les manuels ou leçons d’optique proposent les idées nouvelles basées sur un modèle vibratoire. En particulier, Émile Verdet, professeur de physique mathématique à la Sorbonne, souhaitait coordonner la théorie des phénomènes optiques dans une série de leçons s’étalant sur trois ans. Il ne put enseigner qu’une année et ces cours furent publiés à titre posthume en 1869. Il choisit une voie entièrement analytique en partant, disait-il, des phénomènes les plus simples pour aller aux plus complexes, en introduisant les hypothèses au fur et à mesure des besoins. Il supposait la lumière produite par des vibrations périodiques et Fresnel était « le guide ».

En 1906, la traduction du Cours de physique de Chwolson livre une vision de la lumière considérée comme énergie rayonnante. Cet ouvrage imposant est un intermédiaire entre le manuel et le mémoire original. Lui aussi constitue un guide, écrit son traducteur, car rappelle sur certains points les œuvres de Verdet consultées encore avec beaucoup de fruits à cette époque.

Au XX^e siècle, les ouvrages de Henri Bouasse (1907-1909), de Jules Lemoine (1929), de Georges Bruhat (1930) vont occuper le champ, et seront en partie repris par leurs successeurs. En particulier, les « Fleury et Mathieu » (années 1960) s’appuyaient plus particulièrement sur les ouvrages de Lemoine revus par Auguste Blanc dans les années 1950, et auront une vie très longue. Ils étaient encore consultés avec fruit à la fin du XX^e siècle. Ils traduisent finalement le consensus théorique qui s’est dégagé sur l’établissement d’un enseignement supérieur d’optique classique au milieu du XX^e siècle.

L’exposé pourrait conduire à poser un certain nombre de questions touchant le transfert, l’appropriation, et la diffusion des connaissances en optique à chaque époque, ici successivement les cœurs des XVIII^e, XIX^e et XX^e siècles, et leur effet retard dans les programmes de l’enseignement secondaire.

Séance du Mercredi 4 novembre 2015

14h30-17h30, salle Rothko

• Scott Walter (Centre François Viète, Université de Nantes), Les voyages d'Alfred A. Robb : De l'effet Zeeman à la géométrie optique du mouvement

Le physicien Alfred A. Robb (1873-1936) n'est pas réputé pour ses voyages, alors qu'il en a fait plusieurs dans sa carrière. Je mets en avant deux types de voyages. D'abord, il y a les déplacements de sa personne, de sa ville natale de Belfast, à St. Johns College, Cambridge, à l'Université de Göttingen, et de nouveau à Cambridge, au laboratoire Cavendish dirigé par J.J. Thomson. Ensuite, et en rapport avec le premier type, il y a les voyages de l'esprit, en partant de la dynamique de Routh enseignée à Cambridge, vers les théories électroniques de Larmor, Lorentz et J.J. Thomson, à la théorie de l'effet Zeeman de Woldemar Voigt, jusqu'aux théories de la relativité d'Einstein, Poincaré, et Minkowski. Je montrerai alors comment l'axiomatisation de l'espace de Minkowski par Robb est issue de ces voyages

• Pierre Lauginie (GHDSO-EST, Université Paris Sud, Orsay), De l’Épistémologie à la Métrologie : Foucault et le miroir tournant. Un expérimentateur, un appareil, deux finalités

Léon Foucault réalise en 1850 et en 1862, avec le « miroir tournant » deux expériences à finalités très différentes : en 1850, il met au point un dispositif à miroir tournant en vue de discriminer entre deux modèles de la structure de la lumière. Il conclut au rejet du modèle corpusculaire tel que conçu à l’époque et conforte la suprématie du modèle ondulatoire classique. En 1862, répondant à une demande de l’Astronomie, il adapte le même dispositif de base en vue d’une expérience précise de Métrologie : la mesure absolue de la vitesse de la lumière dans l’air.

Le contexte historique et épistémologique de chacune de ces expériences sera examiné. D’une part, en 1850, suite à une proposition d’Arago remontant à 1838, il s’agit de trancher « définitivement » entre modèle corpusculaire classique, et modèle ondulatoire classique lui aussi (i.e. avec éther) en comparant la vitesse de la lumière dans l’air et dans l’eau, sans mesure absolue. D’autre part, la première mesure terrestre de la vitesse de la lumière dans l’air par Fizeau en 1849 par la méthode de la roue dentée, indépendante de l’Astronomie, avait inauguré une ère nouvelle : il s’agit de l’application potentielle de la vitesse de la lumière à la mesure des distances astronomiques, immédiatement comprise par Arago. En 1861, Le Verrier demande à Foucault une détermination précise de cette vitesse en vue de corroborer ses calculs de distances astronomiques, mesure que Foucault réalise brillamment en 1862.

Nous examinerons les contraintes du système à miroir tournant, puis les adaptations, améliorations et innovations apportées par Foucault à son dispositif afin de passer des exigences d’une expérience qualitative à portée épistémologique d’une part (1850), à celles d’une expérience précise de métrologie (1862) d’autre part. La postérité du miroir tournant sera examinée jusqu’à la magnifique mesure de Michelson en 1926-1927 avec une distance entre miroirs portée à 35 km, qui demeurera la référence jusqu’à la mise en œuvre des méthodes de cavité résonante après la seconde guerre mondiale.

Les modalités de ces deux grandes catégories d’expériences seront discutées : d’une part, établir, justifier, illustrer une loi, discriminer entre des modèles ou des théories ; ou bien, d’autre part, déterminer de manière aussi précise que possible une constante physique. Foucault, avec le même dispositif de base, s’illustre dans l'ensemble des deux champs.

Séance du Mercredi 2 décembre 2015

14h30-17h30, salle Rothko

• Delphine Bellis (Radboud Universiteit Nijmegen, Center for the History of Philosophy and Science), La nature de la lumière entre physique et ontologie : Descartes, Boulliau et Morin

S’il fallait s’en tenir à ce que Descartes déclare explicitement dans la Dioptrique au sujet de la lumière (c’est-à-dire qu’il n’entreprend pas « de dire au vrai quelle est sa nature »), l’on serait tenté de croire qu’il ne s’intéresse pas à sa nature, mais seulement à ses effets. Cependant deux éléments doivent nous inciter à ne pas interpréter cette déclaration à la lettre. D’une part, une partie au moins des lecteurs de la Dioptrique y a identifié une théorie de la nature de la lumière et, d’autre part, Descartes écrit la Dioptrique à une époque où les recherches des philosophes naturels sur la nature de la lumière connaissent un vrai regain d’activité. Or, ces deux dimensions transparaissent dans la correspondance de Descartes. Nous nous proposons d’éclairer la position cartésienne en la confrontant à celle de deux de ses contemporains, Ismaël Boulliau et Jean-Baptiste Morin. Cela nous permettra de redessiner les contours d’un débat antérieur à celui, mieux connu, portant sur la nature corpusculaire ou ondulatoire de la lumière, débat aux oppositions et aux enjeux philosophiques plus marqués. En particulier, ce débat révèle ce qu’une conception matérielle de la lumière peut avoir de problématique dans sa compatibilité avec l’optique géométrique.

• Fabrice Ferlin (laboratoire S2HEP, Université Lyon 1), L’apparition des lunettes achromatiques au XVIIIe siècle, enjeux, théories et pratique.

Les lunettes astronomiques, depuis leur apparition au début du dix-septième siècle ont été longtemps affectées par des problèmes d’aberrations optiques limitant fortement leurs performances. À la fin du siècle Newton identifia les aberrations chromatiques, mais il crut qu’elles seraient définitivement impossibles à corriger, d’où son projet de se tourner vers des télescopes à miroir.

Ce n’est que vers le milieu du siècle suivant que des savants (Euler, Clairaut, D’Alembert) se rendirent compte de la possibilité de corriger ce défaut et mirent au point des théories mathématiques des aberrations qu’elles soient optiques, chromatiques ou géométriques optiques.

Toutefois diverses raisons limitèrent l’application de cette théorie à la construction des nouvelles lunettes achromatiques apparues à la fin des années 1750, et cela n’est pas sans rapport avec la désaffection et l’oubli de ces théories des aberrations au tournant du dix-neuvième siècle, avant une réélaboration indépendante  dans les années 1860 (Seidel).

Dans cet exposé, nous explorerons les enjeux de l’apparition des nouvelles lunettes au dix-huitième siècle, les causes de l’oubli pour un siècle des théories correspondantes. Nous montrerons aussi que l’optique du siècle des Lumières, insérée entre les grandes découvertes du dix-septième siècle (Huygens, Newton) et celles du début du dix-neuvième (Fresnel) n’a pas été aussi figée et stagnante qu’on l’a parfois dit.

Séance du Mercredi 3 février 2016

14h30-16h, salle Celan (ENS)

• Jed Buchwald (California Institute of Technology), The Principles of Ray Optics Before the Wave Theory of Light

Although the central physical image of optics in the late 18th and early 19th century presumed light to consist of particles governed by forces (the emission theory), no quantitative results with empirical consequences ever resulted from that assumption, with the partial exception of Laplace's expression for the relation between index of refraction and density. Nevertheless, Malus and then Biot in France, as well as Brewster in England, did generate testable claims that both Biot and Brewster insisted were independent of the emission theory. Adopting Thomas Young's terminology, we will call the ray-based theory deployed by these investigators (and others before and after them) the selectionist theory of light. That theory presumed the independent existence and persistence of a countably-finite set of physical rays, whatever such things might actually consist of. Wave optics altogether rejected any such notion, with the consequence that results obtained by Malus, Biot and Brewster could no longer be accepted – though in the principal case of partial reflection, whose theory was due to Malus, no difference could at the time be detected between his formulae and the ones produced by Fresnel.

Séance du Mercredi 10 février 2016

14h30-17h30, salle Rothko

• Marie ITOÏZ (GHDSO-EST, Université Paris Sud, Orsay), Entre production de lumière polarisée et reconnaissance des minéraux : Le rôle du prisme à simple vue de William Nicol dans la première moitié du XIXe siècle

William Nicol (1770-1851) publie en 1829 dans un journal écossais, un bref article de deux pages détaillant la fabrication d’un prisme de spath calcaire permettant l’obtention d’une seule image. Le prisme à simple vue, dont le nom va rapidement se réduire à celui de son inventeur, est un instrument qui produit de la lumière polarisée. Éclipsant les autres moyens de polarisation de l’époque, le prisme nicol devient progressivement un incontournable à partir de 1850 dans toutes les expériences qui nécessitent l’utilisation de lumière polarisée.

Or, les minéraux ont alors une place importante dans ces recherches sur et avec la lumière polarisée, comme par exemple dans les travaux de David Brewster (1781-1868) ou encore de Jean-Baptiste Biot (1774 -1862). De nouvelles propriétés optiques sont découvertes, permettant l’ajout de critères d’identifications supplémentaires à ceux déjà disponibles en cette première moitié du XIXe siècle.

Ainsi l’étude de l’instrument crée par Nicol, notamment par le biais des matériaux utilisés et de sa construction particulière, est un moyen d’appréhender les enjeux de diffusion et de transfert technique qui ont lieu autour des instruments produisant de la lumière polarisée. C’est également l’occasion de s’interroger sur le rôle que joue en arrière-plan l’utilisation de la lumière polarisée en optique et en physique dans la construction d’une nouvelle méthode d’observation des minéraux en géologie, à savoir la pétrographie microscopique.

• Jérôme Fatet (Maître de conférence, ESPE de l’Académie de Limoges, Université de Limoges.) Remplacer l’œil pour changer de regard : L’usage des réactions photosensibles par Edmond Becquerel pour l’étude de la nature de la lumière entre 1839 et 1843

Lorsque Edmond Becquerel (1820-1891) débute les travaux de recherche qui le conduiront à soutenir en 1840 une double thèse de physique et de chimie à la faculté des sciences de Paris intitulée « Des effets chimiques et électriques produits sous l'influence de la lumière solaire », les principes de la photographie ne sont pas encore publics. Il n’a alors que 18 ans et se passionnera pour cette nouvelle invention. Partageant son temps entre ses travaux scientifiques et l’exploration des principes de cette nouvelle technique, il saura utiliser ces derniers pour développer ses expérimentations sur la lumière, inventant et développant un nouvel appareil dont les principes reposent sur ceux de la photographie, l’actinomètre électrochimique. Cette interaction sera un succès scientifique qui lui permettra d’enrichir les connaissances sur la nature de la lumière et son étendue.

Nous présenterons, dans l’analyse des processus expérimentaux que construit Edmond Becquerel, les apports mutuels que peuvent avoir sciences et techniques et comment cette interaction peut nourrir les débats théoriques en cours. L’exploration de cette interaction est réalisée en utilisant deux outils d’exploration épistémologiques distincts : d’une part l’analyse de controverse, d’autre part la réplication d’expérience historique.

Séance du Mercredi 16 mars 2016

14h30-17h30, salle Rothko

• Arnaud MAYRARGUE (Laboratoire SPHERE, CNRS et Université Paris-7 Diderot) Fresnel / Poisson : des conceptions opposés ?

Après les travaux qu’il a engagés avec Arago en 1816 sur le phénomène de polarisation de la lumière, Fresnel sembla accepter comme une nécessité l’idée que la lumière était due à la propagation d’ondes transversales et non longitudinales, comme on l’avait pensé auparavant. Cette hypothèse demandait de doter l’éther, support à la propagation de telles ondes, de propriétés structurales particulières. Dans le Premier Mémoire sur la double réfraction (1821), Fresnel avait proposé un modèle d’éther, qui s’apparentait à un fluide élastique ; cependant, ce modèle n’était que qualitatif. L’année suivante, il avait montré comment, dans cet éther, la propagation d’ondes transversales était possible et permettait de rendre compte du phénomène de polarisation lumineuse, sans toutefois pouvoir s’affranchir de l’existence d’ondes longitudinales.

Ces hypothèses ont contribué à déclencher une controverse avec Poisson pour qui le modèle ondulatoire n’était acceptable que si les ondes se propageaient longitudinalement, une des préoccupations de Poisson étant de rendre compte de la propagation rectiligne de la lumière.

À cela, Fresnel opposa le phénomène de diffraction dont on ne parvenait à rendre compte que dans le cadre ondulatoire. Plus on rétrécit l'ouverture, expliquait-il, plus le filet de lumière qui la traverse se dilate et plus s'élargit l'espace angulaire dans lequel il présente une intensité à peu près uniforme. Au contraire, lorsque l’on observe un faisceau large, le phénomène de diffraction disparaît et « le faisceau lumineux se propage en ligne droite sans éprouver de dilatation notable ; c'est ce qu'on explique aisément à l'aide des principes que vous désapprouvez, et qui s'accordent encore sur ce point avec l'expérience.»

Après les travaux de Fresnel et la controverse qu’ils avaient engendrée avec Poisson, la question de la possibilité de rendre compte de la propagation rectiligne de la lumière dans le cadre de la théorie ondulatoire restait donc ouverte, même si les explications par Fresnel des phénomènes de diffraction et d’interférences plaidaient en faveur de ce dernier. C’est dans ce contexte qu’il faut situer les recherches entreprises par James Challis que nous examinerons plus loin.

Nous voudrions réexaminer les enjeux de cette controverse, en nous intéressant plus particulièrement aux enjeux liés à la question de la propagation rectiligne de la lumière.

• Christian BRACCO (Syrte, Observatoire de Paris) et Jean-Pierre Provost (Université de Nice-Sophia Antipolis), La relativité au premier ordre en V/C : les transformations de Lorentz de 1895

Nous reviendrons sur l’importance historique des transformations de Lorentz de 1895, qui ont eu un impact décisif pour la formulation de la relativité restreinte : (i) du fait de l’explication qu’elles donnent de l’impossibilité de détecter le mouvement de la Terre dans l’éther par des expériences électromagnétiques (au premier ordre en V/c) ; (ii) de leur acceptation dans la communauté scientifique incluant physiciens et ingénieurs et de leur diffusion après des étudiants ; (iii) de leur interprétation liée à la problématique du temps et à l'invariance de la vitesse de la lumière. Leur caractère infinitésimal ne sera cependant reconnu, associé à une propriété de groupe, qu’en 1905. Aujourd’hui ces transformations peuvent être utilisées pour une présentation de la relativité dans l'enseignement, y compris dans son application à la gravitation.

Mercredi 11 mai 2016

14h30-17h30, salle Rothko

• Danielle FAUQUE (GHDSO-EST, Université Paris-Sud, Orsay), Alfred Cornu (1841-1902) : L’optique à l'Association française pour l'avancement des sciences

Ingénieur polytechnicien du corps des Mines, Cornu s’oriente d’abord vers la cristallographie, et les relations entre lumière et cristaux. Ses études les plus connues concernent la vitesse de la lumière par les deux méthodes, Fizeau et Foucault (1872-1874), et la préparation des missions pour l’observation du passage de Vénus devant le Soleil en 1874. Il a publié de très nombreuses notes dans les Comptes rendus de l’Académie des sciences sur divers sujets, dont beaucoup portent sur la spectroscopie.

Très engagé à l’Association française pour l’avancement des sciences (AFAS), dès sa fondation en 1872, il communique 33 fois en section de physique, (jointe à la météorologie et physique du globe dans certaines séances), soit plus de 8% des communications faites dans cette section sur la période. Pour l’optique, outre la vitesse de la lumière, il aborde des questions portant sur l’adaptation des instruments à la photographie du spectre solaire (étude du rayonnement absorbé par l’atmosphère). Ces communications donnent de Cornu l’image d’un savant enclin à la recherche d’une réponse expérimentale plutôt que théorique. Il s’inscrit bien dans un courant d’époque qui accorde une grande attention à la multiplicité des innovations de détail dans l’équipement du laboratoire, et dont les exposés faits à l’AFAS témoignent.

Au cours de l’exposé, nous voudrions présenter un physicien aux recherches très larges, mais dont des constantes apparaissent : l’automatisation des mesures, l’effet de la lumière sur l’environnement physique, l’effet de la matière sur la lumière. Plusieurs de ses travaux sont restés inédits. Ses multiples talents lui ont permis d’établir des ponts entre différents domaines (acoustique, optique, musique, électricité), ce que ses communications à l’AFAS semblent montrer. Nous préciserons également la place de sa participation à l’AFAS dans l’ensemble des communications faites en optique dans le cadre de la section de physique.

• Daniel Mitchell (Cambridge University) Reflecting Nature:  Chemistry and Comprehensibility in Gabriel Lippmann's 'Physical' Method of Photographing Colours

In 1908 the French experimental physicist Gabriel Lippmann (1845–1921) won the Nobel Prize in Physics ‘for his method, based on the phenomenon of interference, which permits the reproduction of colours by photography.’ Despite having been called ‘one of the greatest inventions of the nineteenth century’, his ‘interferometric’ method has been largely forgotten. The origins of colour photography are usually traced to the 1860s when practical methods of colour reproduction based on combinations of three ‘primary’ colours were developed. Yet the nineteenth-century scientific and photographic press held the view that only a ‘direct’ method that exploited the ability of light to impress its own colours directly upon matter could count as ‘colour photography’ (photographie des couleurs). Three-colour methods were consequently dubbed pejoratively ‘photography in colours’ (photographie en couleurs).

Lippmann claimed to have discovered the definitive, scientific solution to the problem of “photographie des couleurs”. His insistence on its comprehensible, physical nature has proven so successful that the pioneering chemical contributions of the Lumière brothers, Auguste (1862–1954) and Louis (1864–1954), to the development of a practical interferometric process have remained largely unnoticed. My lecture will describe the development by Lippmann and the Lumières of interferometric colour photography and the French reception of their work, and subsequently evaluate Lippmann’s bold claim in the context of his award of the Nobel Prize in Physics.

Séance du Mercredi 8 juin 2016

14h30-17h30, salle Rothko

• Muriel Guedj (LIRDEF, Université de Montpellier ; GHDSO) Des collections sans musée, mais non sans histoire : une étude de la lumière

Outre les collections de médecine et de pharmacie, le patrimoine scientifique de l'université de Montpellier est constitué de collections originales et diverses, significatives d'une histoire scientifique d'envergure. Néanmoins, rarement exposées faute de lieu dédié, ces collections sont méconnues voire négligées comme en témoigne l'état de conservation de certaines d'entre elles. 

Ces collections sans musée n'en ont pas moins une histoire et les actions, auxquelles elles engagent (recensement, publications, site), interrogent l'historien : que donnent-elles à voir? Plus précisément, en quoi sont-elles des témoins pertinents pour rendre compte des usages et des pratiques à l’œuvre dans le domaine de la recherche et de l’enseignement ?

À partir d’une étude de cas centrée sur la lumière, ce sont ces questions que nous discuterons, en nous attardant notamment sur les notions de trajectoires biographiques des objets, de  périodes de vie  et d’âges  (Lorraine Daston, 2000, 2008).

De fait, les temps consacrés à la recherche, l’enseignement, l’établissement de la collection, ou encore l’exposition, correspondent à des périodes de vie de l’objet présentant chacune un statut spécifique particulièrement significatif de la période. Quels sont les moments clés repérables pour lesquels le statut change ? Qu’est ce qui impacte la trajectoire ? Quels types de facteurs sont-ils à prendre en compte ? Qu’est ce qui est significatif d’un âge particulier ? 

L’ensemble de ces questions constitue autant de pistes pour alimenter la réflexion dans le domaine et faire de ces collections, des objets d'études historiques. 

• Danielle FAUQUE (GHDSO-EST, Université Paris-Sud, Orsay), Enseigner l’optique : les manuels pour les classes préparatoires (1850-1960)

L’optique n’a pas toujours été une composante de l’enseignement de physique destiné à la préparation des concours aux grandes écoles. Elle apparaît d’abord davantage comme une science appliquée plutôt que théorisée. L’optique géométrique y occupe une place importante notamment en ce qui concerne les instruments.

Il semble qu’il n’y a pas eu d’optique dans le programme de préparation avant 1842, où les phénomènes de diffraction et d’interférences sont mis au programme à la suite de l’optique géométrique. L’optique disparaît dans le programme des concours pour l’ENS et l’Ecole polytechnique de 1853 à 1865. La réforme de 1865, organisant les écoles préparatoires pour les écoles spéciales du gouvernement, donne des instructions précises sur les contenus à enseigner. L’optique y est vue sous l’angle traditionnel : géométrique et ondulatoire.

Les programmes de 1891 ajoutent une nouvelle vision, reflet des courants théoriques de l’époque : la chaleur rayonnante, et de son identité avec la lumière, donc de la mise en avant pour interpréter les phénomènes, du rôle d’une conception énergétiste des phénomènes physiques. Les programmes de 1904 reviennent à une conception plus classique de l’optique.

Au XXe siècle, le contenu de l’enseignement de l’optique dans les classes préparatoires s’aligne sur ceux enseignés dans les premiers certificats ou propédeutiques de la faculté des sciences. Après la Seconde guerre mondiale, des ouvrages spécifiques à ce niveau paraissent régulièrement à chaque réforme officielle. Leur contenu est-il étroitement lié à l’évolution de l’optique contemporaine dont les auteurs sont souvent les acteurs de la discipline ou en sont proches ? L’optique enseignée devient de plus en plus mathématisée, et laisse à l’étude des instruments une place de plus en plus étroite.

Ce deuxième séminaire sur les manuels voudrait poser la question sur la distance réelle entre l’optique enseignée à ce niveau de formation très formalisée et l’évolution de l’optique à la même époque, particulièrement au XXe siècle. Quel est du contenu ou de la méthode d’enseignement, ce qui prévaut dans l’esprit des concepteurs des programmes ?