Le prisme de Newton - 06/10/2007

Isaac Newton (1643-1727) est une des personnalités scientifiques les plus célébrées de la physique. Sa formulation du principe fondamental de la dynamique et de la loi de la gravitation universelle constituent en effet des pierres angulaires de l'histoire des sciences modernes.

Hommage philatélique à Isaac Newton, entouré de deux de ses découvertes.

Il s'intéressa aussi à l'optique dans les années 1670. En particulier, il a l'idée (avec d'autres) de remplacer la lentille constituant l'objectif des lunettes astronomiques par un miroir sphérique, en vue de réduire les aberrations chromatiques. Il est donc déjà familier avec les phénomènes colorés quand il s'intéresse à la décomposition de la lumière blanche par un prisme de verre.

A ce moment de l'histoire des sciences, de nombreux phénomènes lumineux ont été observés, de la réflexion et réfraction (voir ci-dessous) des rayons lumineux à l'entrée et à la sortie d'un bloc de verre, à la diffraction. Toutefois, on ne connait pas la nature de la lumière

Le phénomène auquel va s'intéresser Newton est appelé réfraction, c'est la déviation de la lumière qui advient lorqu'elle passe d'un milieu à un autre, par exemple de l'air ou verre (ou à l'eau), ou du verre à l'air. Ce phénomène est décrit par les lois de Descartes (ou lois de Snell pour les anglo-saxons). Ce phénomène est utilisé dans les lentilles, pour faire converger les rayons lumineux issus d'un point en un autre point. C'est ce qu'on appelle "faire une image" en optique.

Une lentille fait converger les rayons lumineux issus d'un point en un autre point.

Il avait été remarqué, lors de la conception des instruments d'optique, que la réfraction faisait apparaître des couleurs. C'est l'aberration chromatique, que Newton connaissait bien, puisque c'est pour s'en abstraire qu'il s'est tourné vers les télescopes à miroirs. Ceci dit, le phénomène d'apparition des couleurs a éveillé sa curiosité...

1 - Regarder des cartons colorés à travers un prisme

Newton, pour comprendre les phénomènes colorés liés à la réfraction, mène alors une série d'expériences qui resteront célèbres. Dans la première d'entre elles, il observe des cartons colorés à travers un prisme. Le prisme est un bloc de verre transparent (voir la seconde image), et les deux réfractions qui ont lieu lors du passage de la lumière de l'air au verre, puis du verre à l'air, se font dans le même sens (contrairement au cas d'un parallélépipède où les réfractions se compensent et la lumière incidente ressort avec la même direction). Il observe alors que la position apparente d'un carton rouge et d'un carton bleu sont différentes. Le trajet de la lumière est différent dans les deux cas, ce qui signifie que réfraction de la lumière bleue est différente de celle de la lumière rouge.

2 - L'expérience historique

Ce résultat sera confirmé par la deuxième expérience de Newton, beaucoup plus originale. Par un trou percé dans un volet, il laisse entrer un fin pinceau de lumière dans la pièce contenant ses expériences, et fait passer ce faisceau dans un prisme.

A gauche, Newton et sa seconde expérience. A droite, une vision plus idéalisée (Peinture de Pelagio Palagi).

Il observe alors que la lumière qui sort du prisme s'étale en une multitude de faisceaux colorés, reproduisant les couleurs de l'arc-en-ciel.

Première phase de l'expérience historique de Newton : la décomposition de la lumière par un prisme

3 - Seconde phase de l'expérience historique

L'apparition de couleurs à la traversée d'un prisme avait déjà été observée avant Newton. Le grand apport de ce dernier vient de l'expérience suivante, qu'on appelle parfois experimentum crucis (le latin c'est toujours assez classe !) ce qui signifie "expérience-clé". Elle consiste à faire passer une partie de la lumière dispersée par le premier prisme dans un second. Newton montra ainsi que la couleur n'était pas altérée par la passage dans le second prisme.

La seconde phase de l'expérience historique de Newton

Newton mena un grand nombre d'autres variations de ces expériences, présentées dans son ouvrage "Opticks". Il montra notamment qu'en recombinant ces faisceaux colorés, on reproduit un faisceau de lumière blanche.

1- La nature des couleurs

Newton interprète ces résultats de la façon suivante : la lumière blanche est constituée de rayons associés à des couleurs différentes, et correspondant aussi à des indices de réfraction différents. Les couleurs sont donc, selon ce point de vue, une propriété physique de la lumière (on sait aujourd'hui que la notion de couleur est plus complexe). Le fait que l'indice de réfraction soit différent pour des lumières différentes est aujourd'hui appelé "dispersion". Toutefois, Newton ne parvient pas vraiment à déterminer la propriété physique de la lumière qui fait qu'un rayon correspond à une couleur plutôt qu'une autre.

La découverte du phénomène de dispersion permit à Newton de fournir la première explication scientifique au phénomène d'arc-en-ciel, il s'agit du même phénomène que dans l'expérience précédente, le prisme étant remplacé par des gouttes d'eau.

Un arc-en-ciel devant les chutes du Niagara.

2 - Les applications modernes

Cette décomposition de la lumière par un prisme (ou par d'autres dispositifs, comme les réseaux diffractants) est d'une très grande importance dans le développement de la science. Elle est en effet à la base de la spectroscopie, l'étude des propriétés de la matière par l'analyse de ses interactions avec la lumière. L'analyse des spectres (un spectre, c'est la figure colorée obtenue par dispersion des longueurs d'onde) permet d'identifier la présence d'éléments dans une source lumineuse lointaine ou entre la source et l'observateur. On a ainsi pu déterminer la composition du Soleil et de beaucoup d'étoiles, mais aussi mettre en évidence l'expansion de l'Univers, grâce à ces spectres.

3 - La suite de l'histoire

Newton ménera d'autres expériences en optique, il découvrira notamment les anneaux d'interférence qui portent son nom. Pourtant, malgré toutes ses qualités scientifiques, il semble que Newton ait aussi usé de sa notoriété pour jeter le discrédit sur une hypothèse proposée par Huygens pour expliquer, entre autres, ces anneaux : la lumière serait de nature ondulatoire. Newton était farouchement opposé à cette hypothèse et lui préférait sa vision corpusculaire, quitte à lui ajouter quelques éléments qui rappellent fortement des propriétés ondulatoires... Mais ceci est une autre histoire, rendons un hommage bien mérité à Newton, en musique s'il vous plait !

Une utilisation plus anecdotique de la dispersion des couleurs : l'art.

Le prisme de Newton,version rock...