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Chapitre 2 • Lumière classique et changement de référentiel galiléen
14
d'un milieu continu qui se propage de proche en proche . Newton pose laquestion suivante : «Les rayons lumineux, ne sont-ce pas de fort petits corpuscules
élancés ou poussés hors des corps lumineux?» Le prestige scientifique de Newton fait que cette conception de particules de lumière se propageant dans le
vide, avancée comme une simple hypothèse par Newton, prévaut pendant une
longue période. Au début du XIXe siècle Young explique les interférences en
s'appuyant sur les hypothèses suivantes : « 1) Un éther luminifère, ténu et extrêmement élastique, infiltre l'Univers. Il) Des ondulations sont excitées dans cet
éther chaque fois qu'un corps devient lumineux.» Quelques années plus tard
Fresnel montre que l'hypothèse que la lumière monochromatique est une onde
oscillant à une fréquence bien déterminée permet d'expliquer quantitativement
aussi bien l'optique géométrique que les phénomènes d'interférences et de diffraction. La conception corpusculaire de la lumière est alors abandonnée.
Les études menées à la même époque par de nombreux physiciens concernant
les phénomènes électriques et magnétiques permettent de dégager progressivement une notion extrêmement importante et révolutionnaire : celle de champ,
objet physique se manifestant en tout point de l'espace même vide. Au prix d'un
extraordinaire effort conceptuel, Maxwell réussit à écrire les équations régissant
l'évolution des champs électriques et magnétiques qui rendent compte de l'ensemble des phénomènes connus . Il découvre que ses équations ont des solutions
qui ont toutes les propriétés des hypothétiques ondes lumineuses de Young et
Fresnel. Selon ses propres termes : «Nous pouvons difficilement éviter la conclusion que la lumière est constituée des ondulations transverses du même milieu
qui est la cause des phénomènes électriques et magnétiques». La conception qui
prévaut ainsi à la fin du x1xe siècle est que la lumière est une onde des champs
électriques et magnétiques régie par les équations de Maxwell.
2.1 DESCRIPTION ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
2.1.1 Caractéristiques de l'onde lumineuse
Considérons un rayon de lumière monochromatique se propageant dans le vide. Dans
l'approche ondulatoire, il est décrit en tout point M d'un référentiel
Ar(r,t) = Ao cos(wt - k · r)
(2.1)
où k est le vecteur d'onde et w la pulsation de 1 'onde considérée, qui sont liés à la
longueur d'onde À, à la période T et à la fréquence v de 1 'onde par :
2n
À = -
k
2n
T=w
w
v = -
2n
(2.2)
où k=Jkl. Pulsation et vecteur d'onde sont liés par la relation, dite de dispersion :
w = ck
(2.3)
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Chapitre 2 • Lumière classique et changement de référentiel galiléen
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d'un milieu continu qui se propage de proche en proche . Newton pose laquestion suivante : «Les rayons lumineux, ne sont-ce pas de fort petits corpuscules
élancés ou poussés hors des corps lumineux?» Le prestige scientifique de Newton fait que cette conception de particules de lumière se propageant dans le
vide, avancée comme une simple hypothèse par Newton, prévaut pendant une
longue période. Au début du XIXe siècle Young explique les interférences en
s'appuyant sur les hypothèses suivantes : « 1) Un éther luminifère, ténu et extrêmement élastique, infiltre l'Univers. Il) Des ondulations sont excitées dans cet
éther chaque fois qu'un corps devient lumineux.» Quelques années plus tard
Fresnel montre que l'hypothèse que la lumière monochromatique est une onde
oscillant à une fréquence bien déterminée permet d'expliquer quantitativement
aussi bien l'optique géométrique que les phénomènes d'interférences et de diffraction. La conception corpusculaire de la lumière est alors abandonnée.
Les études menées à la même époque par de nombreux physiciens concernant
les phénomènes électriques et magnétiques permettent de dégager progressivement une notion extrêmement importante et révolutionnaire : celle de champ,
objet physique se manifestant en tout point de l'espace même vide. Au prix d'un
extraordinaire effort conceptuel, Maxwell réussit à écrire les équations régissant
l'évolution des champs électriques et magnétiques qui rendent compte de l'ensemble des phénomènes connus . Il découvre que ses équations ont des solutions
qui ont toutes les propriétés des hypothétiques ondes lumineuses de Young et
Fresnel. Selon ses propres termes : «Nous pouvons difficilement éviter la conclusion que la lumière est constituée des ondulations transverses du même milieu
qui est la cause des phénomènes électriques et magnétiques». La conception qui
prévaut ainsi à la fin du x1xe siècle est que la lumière est une onde des champs
électriques et magnétiques régie par les équations de Maxwell.
2.1 DESCRIPTION ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE
2.1.1 Caractéristiques de l'onde lumineuse
Considérons un rayon de lumière monochromatique se propageant dans le vide. Dans
l'approche ondulatoire, il est décrit en tout point M d'un référentiel
Ar(r,t) = Ao cos(wt - k · r)
(2.1)
où k est le vecteur d'onde et w la pulsation de 1 'onde considérée, qui sont liés à la
longueur d'onde À, à la période T et à la fréquence v de 1 'onde par :
2n
À = -
k
2n
T=w
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2n
(2.2)
où k=Jkl. Pulsation et vecteur d'onde sont liés par la relation, dite de dispersion :
w = ck
(2.3)