Newton

NEWTON 1642-1727

(La théorie corpusculaire de la lumière)

Jeune homme, Newton monte des expériences avec les moyens du bord, réfugié chez sa mère à la campagne, à la suite d’une épidémie de peste à Londres.

C’est là qu’il conçoit l’essentiel de ce qu’il mettra des années à publier. Utiliser les trous du volet pour avoir des raies de lumières, voilà bien des moyens rudimentaires.

Fresnel, des siècles plus tard, en repos forcé également, utilisera les mêmes moyens, reclus dans sa chambre, en ajoutant une goutte de miel dans le trou pour faire une lentille ! Comme quoi la découverte peut se satisfaire de petits moyens.

Newton réussit ainsi à prouver que les couleurs ne sont pas un effet des surfaces traversées par la lumière comme le prétendait Descartes. Avec plusieurs prismes, il décompose la lumière en ses couleurs et la reconstitue.

Newton fait, en 1672, une communication à la Royal Society sur ce sujet et l’accompagne d’une explication corpusculaire de la lumière. Il se heurte ainsi au secrétaire Robert Hooke qui, lui, pense que l’apparition des couleurs est due à une sensation produite par des vibrations. Newton se fâche et c’est de cette manière que naît une querelle entre les partisans des natures corpusculaires et ondulatoires de la lumière qui durera des siècles et dont on peut dire qu’elle n’est pas encore éteinte.

En 1686, soit vingt ans après ses jeunes réflexions, Newton remet le manuscrit des « Principia » démontrant, entre autre, la gravitation universelle et en proposant une théorie de la lumière dont il explique tous les effets à partir de la description précise des trajectoires qu’elle suit et en les expliquant par l’action d’une force qui s’exerce sur des particules matérielles.

C’est dix-sept ans après qu’il publie son traité d’optique, âgé alors de 55 ans. Dans ce livre, Newton se garde de toute attitude métaphysique. Tout doit être tiré de l’expérience. Il importe plus de connaître les lois de l’optique que de supputer sur la nature de la lumière. On peut quand même transgresser cette règle si des suppositions hypothétiques peuvent permettre de faire avouer la découverte. Newton se pose la question de savoir si les rayons de lumière ne sont pas constitués de corpuscules émis par les substances rayonnantes. De tels corpuscules passeront dans les milieux en ligne droite. Il ramène ainsi la lumière dans le monde de la matière pondérable quoiqu‘il n’est pas possible d’expérimenter que lumière, chaleur, électricité, magnétisme soient pesants. La lumière comme n’importe quel corps interagit à distance avec la matière. Pour Newton, la réflexion n’est pas que le simple rebond de lumière sur la matière. Une surface la plus polie soit-elle reste rugueuse et les particules rebondissent alors dans tous les sens. S’il en résulte une image cohérente, c’est qu’il y a une force diffusée également sur toute la surface qui agit sur les rayons sans contact immédiat. C’est une force de répulsion. Une force analogue, mais de signe opposé, peut expliquer la réfraction. Lorsqu’un corpuscule de lumière s’approche d’un morceau de verre, il va suivant l’angle d’incidence, pénétrer d’abord la force répulsive et rencontrer ensuite une force attractive plus près de la surface du verre qui la tire à l’intérieur du verre. Cette force attractive agit en conformité avec la loi Snell- Descartes, avec ces deux forces agissant à distance sur les particules de lumière.

Newton pouvait ainsi rendre compte des problèmes d’optique les plus difficiles. La diffraction de la lumière sur un cheveu était par conséquent le résultat d’une force répulsive poussant les particules de lumière hors de leur parcours en ligne droite. Le phénomène des anneaux de Newton était quelque peu plus difficile à expliquer. Pourquoi en utilisant de la lumière monochromatique apparaissait-il une suite d’anneaux clairs et sombres lorsqu’une lentille plano-convexe était illuminée avec son côté convexe posé sur la surface réfléchissante ? Newton suggéra que ceci était peut-être dû aux corpuscules de lumière s’agitant dans des troubles périodiques de l’éther et passant au travers, ce qui empêchait leur passage à travers les surfaces de la lentille. De tels troubles périodiques étaient comme des ondes de choc produites par les corpuscules de lumière qui se déplacent plus vite que les corpuscules eux-mêmes et venaient en surface avant les corpuscules. Lorsqu’un corpuscule pénétrait dans l’interface, sa réflexion ou sa réfraction dépendait de l’état de l’éther à ce moment-là. Si l’onde de choc avait créé une augmentation momentanée de la densité de l’éther, le corpuscule était réfléchi. Si, au contraire, l’éther était dans une phase raréfiée de la vague de compression, il serait réfracté. Autrement dit, un corpuscule de lumière était repoussé en s’approchant de la zone de plus grande densité de l’éther et attiré en s’approchant de la densité la plus faible que celui qui traversait. Les « accès de facile réflexion et réfraction » comme il les appelait étaient des résultats périodiques dépendant d’ondes se formant dans l’éther.

Il y avait une propriété finale de la lumière avec laquelle Newton dut se battre. Quand la lumière passait à travers certains corps comme le spath d’Islande ou d’autres cristaux identiques, elle devait subir deux réfractions simultanées et différentes. Cela ne pouvait s’expliquer, selon Newton, par un autre moyen que d’affirmer que les corpuscules de lumière, comme de petits aimants, avaient des côtés ou des pôles qui étaient différemment affectés par les forces attractives et répulsives du cristal. Ainsi, les deux rayons réfractés étaient composés de corpuscules de lumière dont les pôles étaient orientés dans des directions différentes et opposées. Ils étaient en fait polarisés par leurs interactions avec les forces cristallines. Voilà la théorie de la lumière que Newton légua à ses successeurs en ajoutant des hypothèses ad hoc pour la compléter. La lumière devait être composée de corpuscules parce que les corpuscules se déplaçaient en ligne droite et la seule autre possibilité, celle des ondes, ne pouvait être considérée car les ondes contournent les obstacles. Mais la lumière ne se déplace pas toujours en ligne droite comme en témoigne sa diffraction sur un cheveu. Dans ce cas, les corpuscules de lumière sont déviés de leur route par une force agissant sur eux à distance. Cependant, les corpuscules de lumière ne sont pas simplement des objets passifs sur lesquels agissent des forces externes, ils sont également dotés de forces attractives et répulsives concentrées sur les extrémités opposées ou pôles. Il n’y a pas non plus qu’une simple interaction entre la lumière et la matière pesante. L’éther hypothétique rend les choses confuses en agissant d’une manière attractive ou répulsive sur la lumière dépendant de son état raréfié ou dense. Est-ce que attraction et répulsion sont alors de l’action à distance et dépendant des particules interagissant seules ou sont-elles fonctions de la densité de l’éther et réalisées d’une manière mystérieuse par ce médium ou quintessence ? Pour Newton, c’est à ses savants de le trouver.

Dans son traité d’Optique, il énonce le postulat suivant : « La lumière est formée de corpuscules qui se propagent à une vitesse énorme ». Pour que ni les solides, ni les liquides, ni les gaz n’opposent de résistance à leur passage, il faut nécessairement que tous les corps, quel que soit leur état, soient formés de parties non jointives. Ces parties s’attirent par gravité. Les forces d’interaction donnent aux corps leur cohésion, forte dans les solides et plus faibles dans les liquides et les gaz. Ce modèle explicatif est ainsi planté : une lumière corpusculaire et une matière discontinue pour laisser passer cette lumière.

À l’entrée d’un corps dense, la force réfringente accélère les rayons. Si dans un milieu, la trajectoire est droite et non courbée, c’est que celui-ci est extrêmement poreux pour transmettre la lumière sans obstacle. Cette accélération par la force réfractante dans des milieux extrêmement poreux conduit Newton à l’hypothèse que la vitesse de la lumière est nécessairement plus grande dans le verre que dans le vide. Cette thèse fut soutenue par Descartes à qui s’opposa fermement Fermat et avec le temps, c’est Fermat qui aura raison. La lumière va plus vite dans l’air que dans l’eau et non l’inverse. Si la force réfractante est intense et s’oppose au mouvement du mobile, elle peut empêcher celui-ci d’entrer dans le second milieu, d’où réflexion. Certains corpuscules de lumière heurtent les parties constitutives des corps et sont alors complètement arrêtés. Le faisceau transmis est moins intense que le faisceau incident, ce qui est constaté expérimentalement.

La dispersion des couleurs dans le prisme s’explique par le fait que les corpuscules lumineux traversant à grande vitesse, subissent l’effet d’une même force réfractante et sont inégalement déviés. Ces différentes déviations ne peuvent être dues qu’à une inégalité de leurs masses. Puisqu’il y a sept couleurs, il y a sept types de corpuscules différents dans la lumière solaire.

Plus les expériences se compliquent se diversifient, et l’imagination de Newton dans ce domaine est sans borne, plus l’incohérence de sa théorie transparaît. Newton en est conduit à utiliser des artifices de langage et même à dissimuler certains faits qu’il avait découverts pour ne pas se contredire. Il en vient finalement à la bonne solution qui est celle d’exprimer les questions qui restent pendantes et méritent que ses successeurs se mettent à la tâche pour les éclaircir. Il énumère ainsi un certain nombre de questions dont la 31^ème est la plus célèbre.

D’un caractère ombrageux, solitaire, polémiste, susceptible, orgueilleux, acceptant très mal la contradiction. Newton fut un homme peu sympathique. Il traversa des périodes dépressives assez longues où il ne produisit rien. Il semble qu’il eut un échange affectif uniquement avec sa mère et peut-être sa nièce. Homosexualité refoulée ? Nul ne sait. Il s’était pris d’affection pour un jeune mathématicien suisse avec qui il vécut pendant deux ans et dont le départ fut à l’origine d’une de ses dépressions. Étrange personnage qui connut la gloire de son vivant. Il faut rendre hommage au génial savant qui a marqué l’histoire des sciences d’une manière indélébile et dont les travaux modifièrent pendant plusieurs siècles, l’image de la science en lui donnant un caractère de certitude notamment pour la gravitation et dont on a encore du mal maintenant à secouer le joug.