Newton et optique

1987/08/01 Etxebarria, Jose Ramon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

1. Quand et comment OPTIKA a écrit.

Comme ce fut le cas avec l'origine des travaux d'autres domaines, dans ce cas aussi le début de la liaison avec l'Optique de Newton doit être placé dans la retraite qui a commencé avec l'épidémie, vers 1666, à vingt-trois ans. Puis, en 1669, nous avons été convertis en professeurs d'optique, et en 1672, étant "Fellow", le 8 Février, il a lu et présenté à la Royal Society un travail sur la lumière sous le titre "Une nouvelle théorie de la lumière et les couleurs". Cette société scientifique a demandé à Hooke un rapport sur ce travail, ce qui a provoqué une forte polémique, à laquelle ont également participé Huygens, Pardies et autres, qui ont duré trois ou quatre ans.

Le 9 Décembre 1675 a de nouveau présenté un nouveau mémoire à la Royal Society intitulé "Hypothèses explicatives sur les propriétés de la lumière" et le 20 Janvier de l'année suivante "Discours sur les spécifications". En 1703, il a été nommé président de la Royal Society et Hooke est mort, son critique. En 1704, il publie la première édition de Optika, puisque Newton avait 62 ans.

Le titre complet du travail est «Optique, ou Traité sur les réflexes, réfractions, inflexion et couleurs de la lumière», divisé en trois livres. Dans la note d'introduction datée du 1er avril 1704, Newton lui-même reconnaît que s'il a reporté la publication jusqu'alors, elle fut «pour ne pas la trouver enveloppée dans des discussions». Résidant, il réalisa deux autres publications en anglais dans les années 1717 et 1721, introduisant quelques modifications dans chacune d'elles, et après sa mort en 1727, ajoutant certaines de ses notes, en 1730 une nouvelle édition fut faite. Outre les Anglais, ils ont également été publiés en latin pendant leur séjour.

2. Théorie de la lumière en arrivant à Newton.

Pour comprendre la portée de la contribution de Newton à la théorie de la lumière, il convient, même brièvement, que les opinions dominantes apparaissent parmi les scientifiques lors de leur contribution. En fait, les idées de Descartes étaient alors acceptées, et selon elles la lumière était un type de pression, une tendance au mouvement, qui a été proposé dans un milieu fluide, et les couleurs n'étaient que des changements dans ce pouls original qui est la nature de la lumière.

C'est-à-dire qu'avec Descartes il y avait une explication mécaniste de la lumière, expliquant les phénomènes liés à la lumière comme matière et mouvement, comme une sorte d'onde mécanique, mais toujours écartant les qualités essentielles de la lumière elle-même. Les qualités étaient expliquées par le mouvement des particules de la zone. Descartes, pour sa part, présentait trois modèles ou hypothèses supplémentaires, différents de fait et contradictoires entre eux, pour expliquer la nature et les propriétés de la lumière.

La première hypothèse était conçue pour expliquer la trajectoire directe de la lumière, la seconde pour expliquer la capacité des rayons à se croiser sans perturber, et la troisième était un modèle corpusculaire de la lumière pour expliquer la réflexion et la réfraction par des rebonds et des rebondissements de particules. En tout cas, la lumière était considérée comme un pouls homogène, même si la troisième hypothèse était contradictoire

Ainsi, Newton achète un prisme en 1664 pour faire diverses tentatives sur les phénomènes des couleurs. Dans le sens de Newton, le phénomène fondamental de la lumière est celui de la propagation directe, ce qui conduit en quelque sorte à une position contraire au modèle d'onde, puisqu'il s'agit d'un pouls ou d'une pression étendue dans un fluide, la lumière devrait entourer les obstacles, s'inclinant vers l'ombre, comme c'est le cas avec le son ou les ondes superficielles de l'eau. Selon Newton, l'expansion directe ne pouvait s'expliquer que lorsque la lumière est formée de petits corpuscules qui, sortant de la source de lumière, se répandent dans l'espace. Et cette opinion est renforcée par l'apparition d'une composition hétérogène de la lumière blanche après experimentum crucis en 1672.

3. Méthode utilisée dans OPTIQUE.

Dans son travail Newton s'éloigne de la voie précédemment brisée dans le livre "Principia", il peut donc être intéressant de faire quelques observations sur la méthode utilisée.

3.1. Nature de l'OPTIQUE.

L'optique est composée de trois livres. Le premier livre commence par la déclaration positiviste suivante: «Dans ce livre, je ne veux pas expliquer les propriétés de la lumière par des hypothèses, mais les démontrer par des raisonnements et des expériences». Pour cela, il donne une structure spéciale au livre.

En effet, après une série de définitions (ce que sont les rayons de lumière, ce que sont la réflexion et la réfraction, ...) il présente des axiomes (qui sont les lois de la réflexion et de la réfraction) et à partir de là il donne une série de propositions/théorèmes un à un, apportant des preuves expérimentales dans chaque cas, présentant quelques expériences (avec leur montage et leurs conséquences) et se terminant avec les notes obtenues pour expliquer les conclusions. De cette façon, les propositions sont présentées maintes et maintes fois, les combinant dans certains cas -- pour la plupart - avec un théorème et dans d'autres avec un problème.

Dans le deuxième livre, il modifie un peu l'objectif et présente des observations dans les deux premiers paragraphes, dans le troisième paragraphe pour faire des propositions, mais toujours sur la base d'observations précédentes.

Dans son troisième livre, une fois les observations commencées, il met en l’air vingt-six questions non résolues, car, selon lui, «manque d’expériences adéquates pour résoudre ces problèmes».

3.2. Différences entre les méthodes des livres OPTIQUE et PRINCIPIA.

Comme mentionné dans le point précédent, il est facile de voir les différences entre ces deux grands travaux de Newton. Le "Principia" est un ouvrage achevé et circulaire, qui ne peut être lu que par des personnes très formées dans le domaine des mathématiques et, en définitive, une synthèse systématique de problèmes précédemment connus comme les lois de Kepler. Cependant, Optique est un travail ouvert, un travail expérimental dans un domaine en construction, donc il se termine par quelques questions.

Le "Principia" est, en quelque sorte, la fin de la révolution dans le domaine de la Dynamique, et donc le XIX. La formulation analytique du XXe siècle reste intacte jusqu'à son arrivée. Cependant, avec l'optique, une nouvelle voie s'ouvre, en organisant une méthode expérimentale, en utilisant un langage compréhensible pour beaucoup de gens, et en faisant une description détaillée des expériences, offrant la possibilité pour tout autre de les répéter.

3.3. Théories contre hypothèse: Experimentum crucis.

Dans la lettre de Newton au secrétaire de la Royal Society est systématiquement utilisé l'argumentation expérimentale dans la construction d'une théorie. Quoi qu'il en soit, la nouveauté ne réside pas dans l'utilisation d'expériences, mais dans la préparation expresse d'expériences pour la démonstration d'une théorie.

Le point de départ du travail est le résultat de l'étude d'une observation qui, après s'être réfractée dans un prisme, analyse l'extension anormale de l'image d'un trou circulaire. Ce phénomène était inattendu selon les lois de l'optique géométrique, mais pour l'expliquer, en acceptant toujours le caractère homogène de la lumière, on faisait quatre hypothèses supplémentaires. Le travail de Newton est basé sur le rejet de ces quatre hypothèses, en organisant des expériences appropriées et indépendantes, démontrant ainsi que ces hypothèses sont fausses.

En tout cas, Newton a réalisé que les nouvelles hypothèses pouvaient être constamment inventées pour comprendre les problèmes. C'est pourquoi il organise experimentum crucis pour démontrer que sa théorie n'est pas correcte et que sa théorie hétérogène (c'est-à-dire que dans la lumière du soleil il y a différents types de rayons) est correcte.

Voyons en quoi consiste cet experimentum crucis (Livre 1, Chapitre 1, II. Proposition II. théorème, expérience 6). Le montage expérimental se fait par deux planches et deux prismes avec un trou, comme indiqué dans la figure 1 ci-joint. Une fois la lumière réfractée dans le premier prisme, le rayon correspondant à une couleur est sélectionné par des trous dans les planches, en se dirigeant vers le prisme situé après le second orifice. Avec la rotation du premier prisme, vous pouvez choisir une couleur ou une autre. Ainsi, il a vu que la lumière qui se réfractait le plus dans le premier prisme (le bleu) était celle qui se réfractait le plus dans le second.

Répétant l'expérience et obtenant toujours le même résultat, il était clair qu'il était partisan d'une théorie hétérogène, et dans les mots de Newton deux propositions/théorèmes étaient démontrées: «I. Proposition. I. Théorème: Les lumières de différentes couleurs ont un degré de réfraction différent ». «II. Proposition. II. Théorème: La lumière solaire est formée de rayons avec un degré de réfraction différent».

Dans cette expérience clé, il est donc démontré que la dispersion de la lumière est due au fait que la lumière blanche n'est pas homogène et que la réfraction ne modifie pas les propriétés. Le prisme n'est pas un modificateur de lumière, mais un analyseur. De la même manière, voyant que chaque niveau de réfraction correspond à une couleur, il menait à penser que les couleurs sont les propriétés originales des rayons, ce qui renforçait la croyance que les rayons sont de nature expansive, car seul un corps pouvait avoir des propriétés fixes, ce qui était contraire au mouvement du milieu défendu par les rivaux de Newton.

4ème Réaction des physiciens de l'époque de Newton.

À la fin de son travail Newton a demandé à la Royal Society de promouvoir ce genre d'expériences, mais comme nous le verrons, sa réponse générale a été surprenante et douloureuse pour elle. En fait, il a présenté une théorie que les critiques considéraient comme des hypothèses.

La Royal Society a chargé Hooke d'élaborer un rapport sur l'œuvre de Newton et, dans ses observations, il y avait un certain déceptisme. Malgré son excellent travail, il a considéré la théorie de Newton comme une hypothèse imaginaire. De la même manière, Pardies a expliqué que pour comprendre ces phénomènes on pouvait donner d'autres explications. De son côté, Huygens l'a considéré comme vraisemblable (vray), mais il a ensuite affirmé qu'il pouvait concevoir deux ou trois hypothèses différentes.

Cependant, ce qui était à l'origine un débat scientifique, il a crié, en particulier avec les vicissitudes de Hooke avec Newton sur la théorie de la gravitation en 1679, par lesquelles Principia n'a même pas mentionné Hooke. Et à la suite de ces discussions, Newton a retardé la publication du livre Optique jusqu'à la mort de Hooke en 1703, évitant ainsi le risque du débat. Huygens était déjà mort en 1695.

Cependant, il est intéressant de souligner l'essence du débat. À cette époque, sous l'influence de Bacon, s'éloignant des sciences mathématiques qui venaient des temps classiques, une attitude expérimentale apparut dans les sciences naturelles. En conséquence, les hypothèses étaient prises de manière non conceptuelle et c'est pourquoi les affirmations de Newton sur la lumière furent terribles. En fait, l'argument central de Hooke était contre le dogmatisme qui exprimait que la théorie de Newton était entièrement prouvée, et de cette façon son intention n'était pas de prouver que les deux de Newton était faux, mais de prouver qu'il était l'une des hypothèses possibles.

C'est-à-dire que l'objectif de Hooke était de considérer ce travail comme hypothèse, niant la prétention d'être théorie. Ainsi le disait Hooke : «Ce que je dis ne doit pas être considéré comme une critique de sa théorie, parce que c'est une hypothèse avec laquelle je suis d'accord dans toutes les parties et je pense qu'il est très subtil et visionnaire, capable d'expliquer tous les phénomènes des couleurs. Cependant, je ne peux pas croire que c'est la seule hypothèse possible, ni qu'elle soit aussi réelle que les preuves mathématiques».

Newton, au contraire, ne s'y attache pas et la force dans la fausseté de la théorie des autres: «À mon avis, l’hypothèse fondamentale est de propager les ondes ou les vibrations d’un fluide à la manière des lumières rectilignes, sans se disperser dans toutes les directions par le milieu qui l’entoure et sans qu’une détérioration constante se produise».

Par conséquent, Hooke, Pardies et Huygens critiquent la méthode newtonienne et sa méthode dogmatique pour présenter les découvertes. La réponse de Newton, cependant, est substantielle, rejetant à plusieurs reprises les hypothèses de ses concurrents et faisant valoir sa théorie. En profondeur, il ya des problèmes de communication, car il est discuté de positions très différentes.

5. Contributions de Newton à l'Optique.

Bien qu'il existe de nombreuses expériences exposées dans le travail intense de l'optique et les théorèmes proposés, ici, nous ne mentionnerons que certains que nous pouvons considérer comme des contributions majeures.

5.1. La lumière blanche est composée de différentes couleurs.

Ancré dans l'experimentum crucis décrit ci-dessus au point 3.3, il a découvert le caractère hétérogène de la lumière. Comme nous l'avons dit, avec le premier prisme, il obtenait le sprectro de la lumière blanche et sélectionnait d'où un étroit arc de lumière monochrome. En passant cette lumière monochrome par le second prisme, il s'écartait, mais il ne souffrait pas d'autre changement. Il conclut ainsi que la lumière blanche était un mélange de rayons de différentes couleurs, chacun avec un degré de réfraction concret.

5.2. Télescope de réflexion.

Selon les résultats de l'expérience précédente, Newton a réalisé que les télescopes réalisés avec des lentilles simples avaient des limites et a expliqué le problème de l'aberration chromatique.

Comme il le disait (VII. Proposition. VI. Théorème), «Les différents niveaux de réfraction des rayons lumineux empêchent la perfection des télescopes». Pour comprendre l'essence du raisonnement de Newton, on peut considérer une lentille convexe comme un ensemble de deux prismes qui se touchent à la base (voir figure 2). Il voit facilement que chaque couleur aura son accent et, par conséquent, vous obtiendrez une image déficiente de la cause de cette aberration chromatique.

Pour surmonter ce problème, Newton a proposé un nouveau type de télescopes. À son avis, «Conscient de l'impossibilité d'améliorer les télescopes d'une longueur étant de réfraction, j'ai inventé un outil de réflexion... ». La figure 3 représente le schéma du télescope inventé par Newton, comme il l'a fait dans son livre.

Comme on le voit, au fond du tube long avec la surface intérieure noire est placé un miroir sphérique qui permet de concentrer les rayons et de les porter à l'oculaire par le prisme rectangulaire. Ce type de télescopes acquis une grande importance dans le siècle prochain W. De la main de Herschel.

5.3. Newton anneaux.

Dans le deuxième livre de l'œuvre d'optique, dans les observations sur la réflexion, la réfraction et les couleurs de corps transparents fins, il décrit le phénomène actuel appelé anneaux de Newton et l'explication du pourquoi (bien que ce dernier n'est pas correct, car il faut tenir compte des interférences pour l'explication réelle, le modèle d'onde). Ce phénomène se produit lorsque la lumière traverse une fine pellicule d'air, comme c'est le cas de la surface laun en verre AB de la Figure 5 et de la surface sphérique CDE (la surface sphérique étant celle d'une lentille convexe).

Dans les images, il est apparu dans son œuvre d'optique, dans la première décrit les anneaux (4. Image) et deuxième (5. Image) l'explication qu'il fournit, selon laquelle les anneaux sont formés par alternance entre la transmission et la réflexion qui se produit sur la surface courbe.

5.4. Explication de l'arc-en-ciel.

L'approche du problème est la suivante: «IX. Proposition. IV. Problème: A partir des propriétés de la lumière trouvée, expliquer pourquoi les couleurs de l'arc-en-ciel». Après avoir publié dans cette section quelques études de ses prédécesseurs (Descartes lui-même l'expliquait en partie dans son livre Les Météores), il met en relation ces résultats avec l'explication de la composition de la lumière, expliquant et fixant l'origine de l'arc-en-ciel et la nature de ses couleurs. Ainsi, les figures 6 et 7 sont celles présentées dans leur travail.

5.5. Newton avait quelques problèmes.

Quant à la nature de la lumière, Newton n'a pas semblé clair depuis longtemps. Avait-il un caractère gorpusculaire ou, comme ils le croyaient la plupart de leur temps, était une vague qui se répandait dans un milieu qui occupait tout l'espace? En fait, dans les questions du troisième livre de l'Optique utilisé implicitement les deux façons d'être, mais de plus en plus recours à la défense du modèle corpusculaire.

Le plus grand obstacle que j'avais pour accepter le modèle d'onde était la diffusion directe de la lumière, car les ondes entourent les obstacles. On ne connaissait pas en son temps des phénomènes semblables à ceux de la lumière, bien qu'en 1665 F.M. Grimaldi, à l'ombre d'une pile, a observé ses lumières et ombres. Mais la diffraction serait comprise cent cinquante ans plus tard. Cependant, les anneaux de Newton étaient des images interférentes, mais il a donné une autre explication à ce phénomène.

Le cas de la polarisation, qui pouvait être un motif de défense du modèle d'onde, l'a considéré comme un argument contraire à celui-ci. En fait, Huygens a découvert ce phénomène avec des cristaux d'épée apportés de l'Islande, mais comme Newton avait des vagues dans sa tête, la polarisation est devenue incompréhensible dans le modèle d'onde.

Aussi dans l'explication de la réfraction, en expliquant la loi de Snell, on obtient théoriquement des relations réciproques avec les deux modèles pour le rapport entre les sinus des angles: si dans le modèle corpusculaire on obtient le rapport v 2 /v 1, dans le modèle d'onde on obtient v 1 /v 2. C'est-à-dire que le modèle corpusculaire prédit une plus grande vitesse dans des milieux plus denses et dans le modèle d'onde à l'envers, de sorte que sa norme pouvait être déterminée entre les deux modèles. Cependant, ce critère ne servait pas à décider entre les deux modèles, car la vitesse de la lumière était trop élevée et les efforts pour la mesurer échouaient. Par conséquent, le problème n'a pas été résolu.

Sans oublier le travail accompli par Hooke et Huygens, avec le prestige scientifique de Newton dans ses années ultérieures et, en général, dans le XVIIIe. Au XIXe siècle, le modèle corpusculaire fut imposé jusqu'au XIXe siècle. Jusqu'à l'apparition au XVIIIe siècle d'œuvres comme Young, Fresnel ou Fraunhofer.

6ème Comme fin.

Bien que chacune des contributions mentionnées soit suffisante pour exalter le nom d'un scientifique, bien sûr, le scientifique Newton, capable de faire toutes, a occupé une place spéciale dans l'histoire de la physique. Et je dis le scientifique Newton, parce que seulement du point de vue scientifique me sert d'exemple. L'homme de Newton ne peut pas le prendre comme modèle, car en plus d'être un cyprès, indigent, égoïste, etc., en 1697, seulement dans les environs de Londres, dans l'accusation d'être contrefacteur a conduit dix-neuf personnes au pendu impitoyable.