La lumière est-elle une particule ou une onde ?

La nature exacte de la lumière visible est un mystère qui laisse l’homme perplexe depuis des siècles, de nombreux scientifiques et philosophes s’efforçant de répondre à la question suivante : « la lumière est-elle une particule ou une onde ? ».

Les scientifiques grecs de l’ancienne discipline pythagoricienne ont postulé que chaque objet visible émettait un flux régulier de particules, tandis que selon Aristote, la lumière se propage d’une manière semblable aux vagues à la surface de la mer. Même si ces idées ont subi de nombreuses modifications et ont largement évolué au fil du temps, l’essence du différend établi par les philosophes grecs reste valable à ce jour.

Théorie de la lumière : particule ou onde ?

Un point de vue envisage la lumière comme un phénomène ondulatoire produisant de l’énergie qui traverse l’espace d’une manière semblable aux ondulations qui se propagent à la surface d’un étang calme après qu’on y a lancé un caillou. La position opposée soutient que la lumière est composée d’un flux constant de particules, un peu comme les minuscules gouttelettes d’eau pulvérisées par la buse d’un tuyau d’arrosage.

Au cours des derniers siècles, le consensus a oscillé, un point de vue dominant l’autre pendant un certain laps de temps, avant d’être infirmé par de nouveaux éléments étayant l’autre. Ce n’est qu’au cours des premières décennies du XX^e siècle que les démonstrations ont été suffisamment convaincantes pour apporter une réponse complète, et, à la surprise générale, les deux théories se sont avérées être correctes, du moins en partie.

Au début du XVIII^e siècle, le débat sur la nature de la lumière avait divisé la communauté scientifique en deux camps qui s’opposaient vigoureusement pour démontrer la validité de la théorie qu’ils privilégiaient. Un groupe de scientifiques, qui souscrivaient à la théorie des ondes, concentrait ses arguments sur les découvertes du Hollandais Christiaan Huygens. Le camp adverse citait les expériences sur les prismes de Sir Isaac Newton comme preuve que la lumière se propageait comme un jet de particules, chacune se déplaçant en ligne droite jusqu’à ce qu’elle soit réfractée, absorbée, réfléchie, diffractée ou perturbée de toute autre manière.

Bien que Newton lui-même semble avoir eu quelque doute sur sa théorie corpusculaire quant à la nature de la lumière, son prestige dans la communauté scientifique avait un tel poids que ses défenseurs ignorèrent toutes les autres données expérimentales dans leurs féroces querelles.

La théorie de la réfraction de la lumière de Huygens, qui repose sur le concept de la nature ondulatoire de la lumière, affirmait que la vitesse de la lumière dans n’importe quelle substance était inversement proportionnelle à son indice de réfraction. En d’autres termes, Huygens a postulé que plus la lumière était « déviée » ou réfractée par une substance, plus elle se propagerait lentement en traversant cette substance. Ses disciples en ont conclu que si la lumière était composée d’un flux de particules, alors l’effet inverse se produirait, parce que la lumière pénétrant dans un milieu plus dense serait attirée par les molécules présentes dans le milieu et que la vitesse serait augmentée, plutôt que diminuée.

Même si la solution parfaite à cet argument aurait été de mesurer la vitesse de la lumière dans différentes substances, comme l’air et le verre, les appareils de l’époque n’étaient pas capables d’accomplir cette tâche. La lumière semblait se déplacer à la même vitesse, quel que soit le matériau par lequel elle passait. Plus de 150 ans se sont écoulés avant que la vitesse de la lumière puisse être mesurée avec une précision suffisamment grande pour confirmer que la théorie de Huygens était correcte.

En dépit de l’excellente réputation dont jouissait Sir Isaac Newton, de nombreux éminents scientifiques du début du XVIII^e siècle n’étaient pas d’accord avec sa théorie corpusculaire. Certains soutenaient que si la lumière était composée de particules, alors quand deux faisceaux se croisent, certaines des particules vont se percuter, ce qui entraînera une déviation des faisceaux de lumière. Comme ce n’est évidemment pas le cas, ces scientifiques en concluaient que la lumière ne devait pas être composée de particules individuelles.

La théorie ondulatoire de la lumière

Huygens, même si son intuition s’est avérée correcte dans d’autres domaines, avait suggéré dans son Traité de la lumière de 1690 que les ondes lumineuses se propageaient dans l’espace par le biais d’un milieu particulier, l’éther, une substance mystique sans masse, qui existerait telle une entité invisible dans tout l’air et l’espace. La recherche de l’éther a consommé une quantité importante de ressources au cours du XIX^e siècle, avant d’être finalement enterrée une bonne fois pour toutes. La théorie de l’éther a perduré au moins jusqu’à la fin du XIX^e siècle, comme en témoigne le modèle proposé par Charles Wheatstone, démontrant que l’éther transportait les ondes de lumière en vibrant à un angle perpendiculaire à la direction de la propagation de la lumière, ou encore les modèles détaillés de James Clerk Maxwell décrivant la construction de cette substance invisible.

Huygens croyait que l’éther vibrait dans la même direction que la lumière et formait une onde lui-même tout en transportant les ondes de lumière. Dans un volume ultérieur, Le principe de Huygens, il décrit ingénieusement comment chaque point d’une onde peut produire ses propres ondelettes, qui s’additionnent ensuite pour former un front d’onde. Huygens a employé cette idée pour échafauder une théorie détaillée du phénomène de réfraction et aussi pour expliquer pourquoi les rayons de lumière ne se heurtent pas entre eux lorsque leur trajectoire se croise.

Lorsqu’un faisceau de lumière se propage d’un milieu à l’autre et que ces milieux ont des indices de réfraction différents, le faisceau subit une réfraction et change de direction lorsqu’il passe du premier milieu au second. Pour déterminer si le faisceau lumineux est composé d’ondes ou de particules, on peut concevoir un modèle pour chacun d’eux afin d’expliquer le phénomène (figure 3).

Selon la théorie des ondes de Huygens, une petite partie de chaque front d’onde incliné par rapport à l’interface devrait rencontrer le second milieu avant que le reste du front n’atteigne l’interface. Cette partie commencera à se propager dans le second milieu tandis que le reste de l’onde est encore en train de traverser le premier milieu, mais se propagera plus lentement en raison de l’indice de réfraction plus élevé du second milieu. Comme le front d’onde se propage maintenant à deux vitesses différentes, il se coude pour entrer dans le second milieu, ce qui modifie l’angle de propagation

En revanche, la théorie des particules parvient mal à expliquer pourquoi les particules de lumière devraient changer de direction lorsqu’elles passent d’un milieu à un autre. Les partisans de cette théorie suggèrent qu’une force spéciale, dirigée perpendiculairement à l’interface, agit pour modifier la vitesse des particules lorsqu’elles entrent dans le second milieu. La nature exacte de cette force reste un objet de spéculation, aucune preuve n’ayant jamais été recueillie pour étayer la théorie.

Une excellente comparaison entre les théories ondulatoire et corpusculaire a trait aux différences qui se produisent lorsque la lumière est réfléchie sur une surface spéculaire lisse comme un miroir. La théorie ondulatoire suppose qu’une source de lumière émet des ondes lumineuses qui se propagent dans toutes les directions. En cas d’impact sur un miroir, les ondes sont réfléchies en fonction des angles d’arrivée, mais chaque onde est retournée pour produire une image inversée (figure 4). La forme des ondes qui arrivent sur le miroir dépend fortement de la distance entre la source de lumière et le miroir. La lumière provenant d’une source proche maintient toujours un front d’onde sphérique très incurvé, tandis que la lumière provenant d’une source plus éloignée s’étale davantage et rencontre le miroir avec des ondulations presque planes.

L’argument en faveur d’une nature particulaire de la lumière est beaucoup plus fort en ce qui concerne le phénomène de réflexion que celui de réfraction. La lumière émise par une source, proche ou éloignée, arrive à la surface du miroir sous forme de flux de particules qui rebondissent ou sont réfléchies par la surface lisse. Comme les particules sont minuscules, il y en a un très grand nombre dans un faisceau lumineux qui se propage, et elles se déplacent côte à côte très près les unes des autres.

Au moment où elles rencontrent le miroir, les particules rebondissent depuis différents points, de sorte que leur ordre dans le faisceau lumineux est inversé par la réflexion pour produire une image inversée, comme illustré à la figure 4. Les théories corpusculaire et ondulatoire expliquent de façon adéquate la réflexion sur une surface lisse. Cependant, la théorie des particules suggère également que si la surface est très rugueuse, les particules vont rebondir à divers angles, ce qui devrait se traduire par une diffusion la lumière. Cette théorie correspond très étroitement à ce que l’on observe expérimentalement.

Les particules et les ondes devraient également se comporter différemment lorsqu’elles rencontrent le bord d’un objet et forment une ombre (figure 5). Newton souligne dans son livre de 1704, Opticks, qu’« on n’a jamais vu lumière suivre des passages tortueux ou s’infléchir pour atteindre des zones dans l’ombre ». Ce concept est conforme à la théorie des particules, qui propose que les particules de lumière doivent toujours se propager en ligne droite. Si les particules rencontrent le bord d’une barrière, elles produisent une ombre, car les particules qui ne sont pas bloquées par la barrière continuent en ligne droite et ne peuvent pas se diffuser pour aller derrière le bord. À une échelle macroscopique, cette observation est presque correcte, mais elle est contredite par les résultats obtenus à partir d’expériences de diffraction de la lumière à une échelle beaucoup plus petite.

Lorsque la lumière passe à travers une fente étroite, le faisceau s’étale et devient plus large que prévu. Cette observation fondamentalement importante apporte une crédibilité importante à la théorie de la nature ondulatoire de la lumière. Comme des vagues à la surface de l’eau, les ondes lumineuses qui rencontrent le bord d’un objet semblent s’incurver le long du contour de l’obstacle et atteindre dans son ombre géométrique, une région qui n’est pas directement éclairée par le faisceau lumineux. Ce comportement est analogue aux vagues qui épousent les bords d’un radeau, au lieu de s’en éloigner après avoir rebondi dessus.

Près de cent ans après que Newton et Huygens aient proposé leurs théories, le physicien anglais Thomas Young a réalisé une expérience qui a fortement étayé la nature ondulatoire de la lumière. Parce qu’il croyait que la lumière était composée d’ondes, Young s’est fait le raisonnement qu’un certain type d’interaction devrait se produire si deux ondes de lumière se rencontraient.

Pour tester cette hypothèse, il a utilisé un écran comportant une seule fente étroite pour produire un faisceau de lumière cohérente (contenant des ondes se propageant en phase) à partir de la simple lumière du Soleil. Lorsque les rayons du Soleil rencontrent la fente, ils s’étalent (on dit qu’ils se diffractent) pour produire un front d’onde unique. Si ce front vient ensuite éclairer un deuxième écran comportant deux fentes très peu espacées, alors deux sources supplémentaires de lumière cohérente, parfaitement en phase l’une avec l’autre, sont produites (voir la figure 6). La lumière issue de chaque fente se propageant vers un point unique à mi-chemin entre les deux fentes doit arriver parfaitement en phase.

Les ondes qui en résultent doivent donc se renforcer pour produire une onde beaucoup plus grande. En revanche, si on considère un point situé d’un côté ou de l’autre du point central, la lumière d’une des fentes doit dans ce cas se propager beaucoup plus loin pour atteindre un deuxième point situé du côté opposé du point central. La lumière provenant de la fente plus proche de ce deuxième point arrivera avant la lumière de la fente la plus éloignée, de sorte que les deux ondes vont être en décalée l’une par rapport à l’autre et sont susceptibles de s’annuler l’une l’autre pour produire de l’obscurité.

Comme il le soupçonnait, Young découvrit que lorsque les ondes de lumière du deuxième jeu de fentes s’étalent (ou sont diffractées), elles se rencontrent et se chevauchent. Dans certains cas, le chevauchement combine les deux ondes exactement en phase. Dans d’autres cas, les ondes lumineuses sont combinées légèrement ou complètement déphasées l’une par rapport à l’autre.

Young a découvert que lorsque les ondes se rencontrent lorsqu’elles sont en phase, elles s’additionnent selon un processus appelé interférence constructive. Les ondes qui se rencontrent en déphasage complet s’annulent mutuellement, un phénomène connu sous le nom d’interférence destructive. Entre ces deux extrêmes, divers degrés d’interférence constructive et destructive se produisent pour produire des ondes présentant un large spectre d’amplitudes. Young a pu observer les effets des interférences sur un écran placé à une distance définie derrière les deux fentes. Après avoir été diffractée, la lumière recombinée par les interférences produit une série de franges lumineuses et sombres sur toute la longueur de l’écran.

Bien qu’a priori importantes, les conclusions de Young ne furent pas largement acceptées à l’époque, principalement en raison de la croyance à la théorie corpusculaire de la lumière qui prévalait alors. En plus de ses observations sur les interférences lumineuses, Young a postulé que la lumière de différentes couleurs était composée d’ondes de différentes longueurs, un concept fondamental largement accepté aujourd’hui. En revanche, les défenseurs de la théorie particulaire envisageaient que les diverses couleurs découlaient de particules de masses différentes ou se déplaçant à des vitesses différentes.

L’effet d’interférence n’est pas limité à la lumière. Les vagues produites à la surface d’une piscine ou d’un étang se propagent dans toutes les directions et montrent un comportement identique. Lorsque deux vagues se rencontrent en phase, elles s’additionnent pour créer une vague plus grande par interférence constructive. Les vagues qui entrent en collision alors qu’elles sont déphasées s’annulent mutuellement par interférence destructive et produisent une surface plane sur l’eau.

Des indices supplémentaires d’une nature ondulatoire de la lumière furent mis en évidence en examinant attentivement le comportement d’un faisceau lumineux entre des polariseurs croisés (figure 7). Les filtres polarisants ont une structure moléculaire unique qui permet uniquement le passage de la lumière ayant une certaine orientation. En d’autres termes, un polariseur peut être considéré comme un type particulier de store vénitien moléculaire, avec de minuscules rangées de lamelles qui sont orientées dans une seule direction au sein du matériau polarisant. Si un faisceau de lumière vient frapper un polariseur, seuls les rayons de lumière orientés parallèlement à la direction de polarisation peuvent traverser le polariseur. Si un deuxième polariseur est placé derrière le premier et qu’il est orienté dans la même direction, la lumière ayant pu traverser le premier polariseur va également traverser le second.

Cependant, si l’on fait pivoter le second polariseur d’un léger angle, la quantité de lumière traversante sera réduite. Lorsque l’on fait pivoter le second polariseur de manière que son orientation soit perpendiculaire à celle du premier polariseur, aucune lumière ayant traversé le premier polariseur ne traverse le second. Cet effet s’explique facilement avec la théorie ondulatoire, mais aucune manipulation de la théorie corpusculaire ne peut expliquer comment la lumière se retrouve bloquée par le second polariseur. En réalité, la théorie corpusculaire est inadéquate pour expliquer l’interférence et la diffraction, des effets dont on découvrit par la suite qu’ils étaient des manifestations du même phénomène.

Les effets observés avec la lumière polarisée eurent une importance considérable pour le développement du concept selon lequel la lumière est constituée d’ondes transversales, avec des composantes perpendiculaires à la direction de propagation. Chacune des composantes transversales doit avoir une orientation spécifique pour pouvoir traverser ou être bloquée par un polariseur. Seules les ondes présentant une composante transversale parallèle au filtre polarisant traversent celui-ci, tandis que toutes les autres sont bloquées.

Au milieu du XIX^e siècle, les scientifiques étaient de plus en plus convaincus du caractère ondulatoire de la lumière, mais restait une question essentielle : qu’est-ce exactement que la lumière ? Une découverte majeure fut faite lorsque le physicien anglais James Clerk Maxwell découvrit que toutes les formes de rayonnement électromagnétique présentent un spectre continu et traversent le vide à la même vitesse : 330 000 kilomètres par seconde. La découverte de Maxwell enterra une bonne fois pour toutes la théorie corpusculaire et, à l’aube du XX^e siècle, on aurait pu penser que les questions fondamentales concernant la lumière et la théorie optique avaient enfin trouvé leurs réponses.

Mais une découverte discrète faite à la fin des années 1880 mit à mal la théorie ondulatoire de la lumière : des scientifiques découvrirent que, dans certaines conditions, la lumière pouvait déloger les électrons des atomes de plusieurs métaux (figure 8). Bien qu’au début, on n’y vit qu’un simple phénomène aussi curieux qu’inexplicable, il fût rapidement découvert que la lumière ultraviolette pouvait soustraire des électrons aux atomes d’une grande variété de métaux pour produire une charge électrique positive. Le physicien allemand Philipp Lenard s’intéressa à ces observations, qu’il surnomma l’effet photoélectrique. Lenard utilisa un prisme pour diviser la lumière blanche en ses couleurs constituantes, puis focalisa chaque couleur de manière sélective sur une plaque métallique pour expulser les électrons.

Ce qu’il découvrit l’ébranla sérieusement. Pour une longueur d’onde lumineuse donnée (bleue, par exemple), les électrons produisaient un potentiel constant, c’est-à-dire une quantité fixe d’énergie. La diminution ou l’augmentation de la quantité de lumière produisait une augmentation ou une diminution correspondante du nombre d’électrons libérés, mais chacun conservait la même énergie. En d’autres termes, les électrons qui échappaient à leurs liaisons atomiques avaient des énergies dépendantes de la longueur d’onde de la lumière et non de son intensité. Ceci allait à l’encontre de ce que l’on attendrait de la théorie ondulatoire. Lenard découvrit également un lien entre longueur d’onde et énergie : les longueurs d’onde plus courtes produisaient des électrons associés à de plus grandes quantités d’énergie.

La base d’un lien entre la lumière et les atomes avait émergé au début du XIXe siècle, lorsque William Hyde Wollaston avait découvert que le spectre du Soleil n’était pas une bande de lumière continue, mais présentait des centaines de longueurs d’onde manquantes. Plus de 500 raies étroites correspondant à des longueurs d’onde manquantes ont été cartographiées par le physicien allemand Joseph von Fraunhofer, qui attribua des lettres aux plus grandes de ces lacunes. Plus tard, on découvrit que les lacunes étaient produites par l’absorption de longueurs d’onde spécifiques par les atomes de la couche externe du Soleil. Ces observations constituèrent quelques-uns des premiers liens entre atomes et lumière, mais l’impact fondamental ne fut pas compris à l’époque.
 

La théorie corpusculaire de la lumière

En 1905, Albert Einstein postula que la lumière pourrait en fait avoir certaines des caractéristiques propres aux particules, indépendamment des indices extrêmement convaincants en faveur de sa nature ondulatoire. En développant sa théorie quantique, Einstein suggéra mathématiquement que les électrons attachés aux atomes d’un métal pouvaient absorber une quantité spécifique de lumière (initialement appelée quantum, mais ensuite rebaptisée photon) et ainsi avoir l’énergie nécessaire pour s’échapper. Il a également spéculé que si l’énergie d’un photon était inversement proportionnelle à la longueur d’onde, alors des longueurs d’onde plus courtes produiraient des électrons de plus haute énergie, une hypothèse née des résultats des recherches de Lenard.

La théorie d’Einstein fut solidifiée dans les années 1920 par les expériences du physicien américain Arthur H. Compton, qui démontra que les photons avaient un moment, une condition nécessaire pour étayer la théorie selon laquelle la matière et l’énergie sont interchangeables. À peu près au même moment, le scientifique français Louis-Victor de Broglie a émis l’hypothèse que toute matière et tout rayonnement ont des propriétés à la fois corpusculaires et ondulatoires. De Broglie, en reprenant le travail de Max Planck, a extrapolé la célèbre formule d’Einstein reliant la masse et l’énergie pour y inclure la constante de Planck :

E = mc2 = hν

Où E est l’énergie d’une particule, m la masse, c la vitesse de la lumière, h la constante de Planck et ν la fréquence. Le travail de Broglie, qui relie la fréquence d’une onde à l’énergie et à la masse d’une particule, a été fondamental dans le développement d’un nouveau champ théorique qui serait finalement utilisé pour expliquer à la fois la nature ondulatoire et la nature corpusculaire de la lumière.
 

Dualité de la lumière : particule et onde

La mécanique quantique est née des recherches d’Einstein, de Planck, de de Broglie, de Neils Bohr, d’Erwin Schrödinger et d’autres encore qui ont essayé d’expliquer comment le rayonnement électromagnétique pouvait présenter ce qu’on appelle maintenant la dualité onde-corpuscule, c’est-à-dire à la fois un comportement de type particule et un comportement de type onde. Parfois, la lumière se comporte comme une particule et, à d’autres moments, comme une onde.

Ce rôle complémentaire, ou double, concernant la théorie et le comportement de la lumière peut être employé pour décrire toutes les caractéristiques connues qui ont été observées expérimentalement : de la réfraction, la réflexion, l’interférence et la diffraction aux résultats obtenus avec la lumière polarisée et par l’effet photoélectrique. Combinées, les propriétés de la lumière fonctionnent ensemble et nous permettent d’observer la beauté de l’univers.