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Histoire de la Lumière et de la Couleur Pierre BONTON Université Blaise Pascal (Clermont-Ferrand II) LASMEA UMR CNRS 6602 63177 Aubière Tel: 04 73 40 72.

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1 Histoire de la Lumière et de la Couleur Pierre BONTON Université Blaise Pascal (Clermont-Ferrand II) LASMEA UMR CNRS Aubière Tel: Mèl:

2 LE SOLEIL Étoile de 4,5 milliards d'années d'âge Étoile de 4,5 milliards d'années d'âge Sa lumière traverse l'espace en 8 minutes pour Sa lumière traverse l'espace en 8 minutes pour nous atteindre nous atteindre LUNIVERS 10 à 13 Milliards dannées

3 Lilluminant Bougies Moyen Age FEU Paléolithique – à Lampe à huile Grecs et Romains Lampe au gaz ou au pétrole 1860 Lampe électrique 1890 Edison

4 SPECTRE des Illuminants LumièreBlanche Lampe Fluorescente Fait ressortir les rouges et les bleus Lumière optimale pour photosynthèse Favorise la croissance des plantes Fait ressortir les rouges et les bleus Lumière optimale pour photosynthèse Favorise la croissance des plantes

5

6 Cest Maxwell ( ) qui démontre que toutes les nuances peuvent être obtenue à partir de trois teintes fondamentales (couleurs primaires) le Rouge, le Vert et le Bleu. Le citron absorbe la couleur bleue Réponses: 1.NON 2.NON 3.OUI, la lumière naît dune source de lumière qui peut être une bougie, une ampoule, le soleil …. Dans la lumière on trouve une série de couleurs qui mélangées entre elles donnent la lumière que nous voyons.

7 ProjectionTélévision Imprimerie, photos Cinéma (filtres) Teinture Le jaune est complémentaire au bleu: R+V=J Si la vitesse de la lumière est constante dans le vide et lair sec pour toutes les couleurs. Lorsquelle traverse la matière, les couleurs (fréquence de vibration ou longueur donde) se propagent à des vitesses différentes. Cest lexpérience du prisme Newton Newton ( )

8 Expérience du prisme Newton Expérience du prisme Newton ( )

9 Selon un mythe Indien Winnebago, le Père créa le monde par la pensée. Il pensa et désira la Lumière et la Terre …. Dans la Genèse (premier texte – 1100 AV JC), la Lumière fut créée le troisième jour Elle se pose ainsi comme quelque chose dessentiel puisquelle est,dans pratiquement tous les textes sur les mythes de la création, lutilité de la naissance du monde et sans doute la vie même de ce même monde. Origines! Auguste Rodin ( ) La Main de Dieu

10 Pour les religions Catholique et Musulmane, Dieu est lumière Le Coran 7ème siècle -Sourate XXIV « La lumière » verset 35 « Dieu est la lumière des cieux et de la terre. Semblance de sa lumière il niche où brûle une lampe, la lampe dans un cristal;le cristal, on dirait une étoile de perle: Elle tire son aliment dun arbre de bénédiction, un olivier qui ne soit ni de lest ni de louest dont lhuile éclaire presque sans que la touche le feu. Lumière sur lumière! Dieu guide à sa lumière qui veut. » - LXI 8 « Ils (les ignorants)voudraient pouvoir de leur bouche éteindre la lumière de Dieu » - XCI « Par le soleil en son premier éclat, par la lune quand elle prend sa suite, par lillumination du jour, par la nuit quand elle locculte, par la terre et ce qui laplanit, par lâme et ce qui léquilibre, lui inspire la luxure ou de se prémunir. Bien heureux sera qui la purifie confondu sera qui lopacifie »

11 Les origines: le miracle grec Les philosophes, « animés d un souffle vivant et incorruptible inventent un raisonnement (des Théories) pour comprendre le monde » (Plutarque 46 – 120 Après JC) Cest la quête des réponses au Pourquoi des choses! En optique le seul problème vraiment débattu est la vision …

12 Les origines: le miracle grec Dans lantiquité, la lumière était considérée comme un « Feu ». Deux théories (déjà !) saffrontent. La théorie du « feu externe » (Théorie des Atomistes: Leucippe-500/-420 et Démocrite –460/-370). Ce sont des micro-objets dun corps qui, du fait de la collision entre-eux, émettent la lumière. Nous ne les voyons pas sapprocher de nous quand nous les percevons, ce sont des simulacres matériels, des « images ! », des « eidola »

13 Eidola ou Quid se propage, selon les anciens, à travers un fluide quils nomment « Ether » (ce nom est resté et repris par Huygens et Young pour expliquer que les ondes lumineuses se déplacent dans un fluide puisquelles ne sont pas corpusculaires). Les origines: le miracle grec Pythagore (-570/-480) et Euclide (-330/-270) proposent la théorie du « feu visuel ou intérieur », cest lœil qui permet la vision en émettant un rayon spécifique (le « Quid »). Euclide sappuie sur des faits expérimentaux et sur des postulats (géométrie Euclidienne) pour établir les lois de la réflexion et de la réfraction. Il introduit la notion de rayon lumineux et de propagation rectiligne. ii

14 De ces deux théories et donc de la lumière, naît la couleur. Sans rayon, sans « feu visuel », il y a le noir qui est considéré comme une couleur. Des petites particules du « feu externe » résultent limpression de la couleur blanche. Le noir et le blanc apparaissent comme deux extrémités dun vecteur couleur. Dans certaines proportions dun mélange de noir et de blanc apparaissent toutes les couleurs. De cette idée, tenace jusquà la fin du 17 ème siècle, dun seul vecteur correspondant à un axe de clarté, a conduit à envisager la teinte comme une fonction de la clarté. Doù, encore aujourdhui, notre confusion entre teinte et clarté. La couleur jaune était considérée comme la couleur la plus brillante donc la plus proche du blanc dans lantiquité. « Yellow » (jaune en anglais) a pour racine un terme indo- européen qui signifie « briller ». On considère de nos jours, depuis Newton, que la couleur est définie par trois paramètres (teinte, clarté et saturation).

15 Les origines: le miracle grec Aristote (-384/-322) (Ces élèves sappelaient des « Péripatéticiens » car Aristote marchait de long en large…). En observant, il dit: Nous verrions la nuit si la lumière était un «quid». Il propose: Mouvement se propageant entre lobjet et lœil au travers léther (Cest le principe de la théorie ondulatoire). Sa proposition est ignorée de ses contemporains. L observation de la vie donne la clef de la compréhension du monde (Aristote). Il observe et met la Terre comme centre de lunivers (!). Cette conception est défendue jusquà la Renaissance. Aristote malgré sa faculté dobservation cest souvent trompé dans la mise en place des modèles de ses observations.

16 ii Réflexion Angle incident = angle réfléchi Applications: - les fibres optiques - le miroir - le miroir Milieu 2 Milieu 1 Le premier modèle (Euclide): Rayon « homogène » lumineux ou modèle géométrique Il explique par exemple la formation dimages photographiques (lentilles) Il nexplique pas de nombreux autres phénomènes: couleurs des bulles de savon, interférences … Modèle ondulatoire: 17ème … 19ème Modèle corpusculaire (photons): 17ème … 20ème Modèle électrodynamique quantique: 20éme … (Schwinger et Feynman 1956) La surface qui sépare les deux milieux sappelle un « Dioptre »

17 i r Réfraction n1 sin i = n2 sin r Réflexion totale: Arcsin n2/n1 > 90° vitesse de la lumière dans le vide n= n= vitesse de la lumière dans le milieu Milieu 1 Milieu 2 i Snell Van Royen (Flamand ) René Descartes ( René Descartes ( ) Modèle géométrique de Descartes en considérant une vitesse pour la lumière

18 Newton considère la lumière non pas comme homogène (selon un axe de clarté) mais hétérogène. Dans son expérience de la décomposition de la lumière par un prisme (1672), chaque couleur est définie par autant de rayons « colorés » que dangles de réfraction. La teinte nest plus subordonnée à la luminosité (clarté). Newton ( ) considère la lumière non pas comme homogène (selon un axe de clarté) mais hétérogène. Dans son expérience de la décomposition de la lumière par un prisme (1672), chaque couleur est définie par autant de rayons « colorés » que dangles de réfraction. La teinte nest plus subordonnée à la luminosité (clarté). En épistémologie on nomme cela le renversement dune conception, ici le renversement de la clarté en faveur de la teinte. En épistémologie on nomme cela le renversement dune conception, ici le renversement de la clarté en faveur de la teinte.

19 – la (lightness ou brightness) qui correspond à laspect clair, foncé ou terne dune couleur. Selon la définition donnée par lAFNOR, cest lattribut de la sensation visuelle selon lequel une surface éclairée par une source lumineuse déterminée paraît émettre plus ou moins de lumière. Cest aussi le correspondant psychosensoriel (approximatif) de la grandeur photométrique luminance lumineuse. – la ou tonalité chromatique (hue) qui correspond à la longueur donde prédominante présente dans la couleur : jaune, rouge, vert, bleu... Selon la définition donnée par lAFNOR cest lattribut de la sensation visuelle qui a suscité des dénominations de couleur telles que : bleu, vert, jaune, rouge, pourpre, etc. – la (saturation) qui caractérise le côté plus ou moins délavé, pâle ou vif. Cest le degré de mélange de la longueur donde prédominante avec le blanc. Selon la définition donnée par lAFNOR cest l attribut de la sensation visuelle permettant destimer la proportion de couleur chromatiquement pure contenue dans la sensation totale. A. H. M U N S E L L 1 946

20 Le Déclin Claude Ptolémée ( ) est un des derniers phares de la science Grecs. Il conçoit un système pour représenter lunivers sous forme dune structure en pelure doignons avec comme centre la terre. Claude Ptolémée ( ) est un des derniers phares de la science Grecs. Il conçoit un système pour représenter lunivers sous forme dune structure en pelure doignons avec comme centre la terre. Rome ne pense quaux conquêtes (des Bibliothèques sont détruites: Syracuse, Alexandrie …). La religion prend de lessor (Lempereur Constantin se convertit en 313). LEglise soutient les « Barbares » qui se convertissent. Chute de Rome en 476. Le monde est coupé en deux: Occident et Arabe.

21 La toute puissance de l Eglise médiévale (300 à 1450) « Dixit Dominus » LEglise sûre de sa place dominante combat les hérétiques par la violence et excommunie les déviants. Urbain II (le pape errant) lance la première croisade à Clermont-Ferrand en 1095 (pour reconquérir son siège à Rome!) On redécouvre Aristote et la science Arabe! Roger Bacon ( ) découvre la notion de foyers des miroirs concaves. Saint Thomas dAquin (1225 – 1274) essaie dassocier Foi et Raison! Si quelques personnes préparent « La Renaissance », cette période laisse peu de traces dans la Physique La nuit du Moyen Age.

22 Apport dautres civilisations Ibn Al-Haytham Dit Alhazen ( ) Le yin (noir) et le yang (blanc) deux principes dont la complémentarité forme le Tao (la voie de la sagesse) (Chine –200 …)

23 Le monde Arabe La contribution des Arabes est fondamentale. (Contrairement aux Romains ils assimilent les connaissances des civilisations rencontrées). Al-Kindi (… 873) et surtout Alhazen. Son raisonnement est clair, il rejette les théories grecs et explique la réflexion et la réfraction. René Descartes ( ) ne réintroduira ces explications que 6 siècles plus tard. Alhazen en 1000, de part ses expériences et ses calculs, donne un modèle mécanique simple: la Lumière est matérielle et se propage avec une très grande vitesse selon des rayons. La modification de cette vitesse par les corps rencontrés cause la REFRACTION. Le choc de la lumière et des corps crée la REFLEXION. Cette première théorie est de conception très moderne, la démarche est scientifique. Naissance de lIslam début du 7ème siècle.

24 La Renaissance (milieu du 15ème siècle) Nicolas Copernic (Polonais ) « Le soleil repose au milieu de toutes choses, il gouverne la famille des astres qui tournent autour de lui » Curieusement ses écrits sont condamnés par linquisition le 5 mars 1616 (70 ans après sa mort!) Giordano Bruno ( ) fait lapologie de Copernic. Il soutient quil existe dautres soleil et … dautres terres. Condamné à être brûlé vif par linquisition. Devant ses juges Bruno crie : « Jignore sur quoi je dois me repentir ». Il est brûlé!

25 La Renaissance: Galilée ( ) P.R.S. Galilée Une lunette pour le prince! Galilée construit une des premières lunettes astronomiques, les philosophes de lépoque la qualifient de trompeuse et dillusoire. Il soutient les théories de Copernic qui sont condamnées par lInquisition. Son œuvre est immense (Mécanique, Astronomie, Cosmologie, vitesse de la lumière …) L abjuration é puor si muove! é puor si muove! (et pourtant elle tourne) Sur ordre du pape aucun honneur funèbre lui sera rendu.

26 Galilée le Père du Raisonnement Scientifique: OBSERVERMESURERMODELISERVERIFIER

27 René DESCARTES René DESCARTES ( ) Descartes reprend les écrits dAlhazen. Comme lui il compare la lumière au rebond dune balle. Il propose un modèle mécanique pour expliquer la réfraction. Modèle rejeté par Newton. A la cour de Suède, discussion scientifique avec la reine Christine Le discours de la Méthode contient trois appendices: La Dioptrique, les Météores, la Géométrie. Descartes croit à un Dieu Catholique Newton croit à un Dieu Protestant

28 Blaise PASCAL Blaise PASCAL ( ) Le complet dénuement d une vie entièrement au service de Dieu Descartes inutile et incertain !

29 Les temps modernes: Isaac NEWTON Les temps modernes: Isaac NEWTON ( ) « Il me semble que je n ai jamais été quun enfant jouant sur une plage, m amusant à trouver ici ou là un galet plus lisse ou un coquillage plus beau que d ordinaire, tandis que, totalement inconnu, s étendait devant moi le grand océan de la vérité… » Newton est avec Einstein le plus grand physicien de tous les temps!

30 NEWTON: Théorie corpusculaire de la Lumière 15 ans plus tard il rallie la majorité des savants Anglais, à sa théorie, en sopposant encore à Descartes! Il établit la loi de Gravitation (attraction) universelle (1687) (« PRINCIPIA ») F= G (Mterre.Mobjet)/r² En 1672, il annonce à la Royal Société: La lumière est composée de 7 couleurs élémentaires (pures) auxquelles correspondent des indices de réfraction propres. Descartes a tort: Les couleurs ne sont pas créées par les surfaces traversées par la lumières. Mal accueillie!

31 « Les corps réfléchissent et réfractent la lumière par une seule et même force diversement mis en action » Le « rayon » est composée de parties successives (pour nous corpuscules) sattirant par gravité et qui subissent leffet dune force à larrivée sur une surface, force qui dévie ou transmet le rayon suivant le degré dopacité du corps. NEWTON :

32 Il faut expliquer le phénomène de dispersion dans un prisme? Les corpuscules arrivent toutes avec la même vitesse. Cest linégalité de leurs masses qui les fait déviées différemment. Les corpuscules rouges sont plus lourdes! Loptique sintègre bien dans loptique du monde (force de gravité) proposée par Newton!

33 Réponses: 1: Non 2: Non 3: La lumière diffusée sur les cotés par lair apparaît bleu, le soleil est jaune. Le soir et le matin le soleil est trop bas pour que la lumière diffusée bleue nous parvienne. Nous recevons seulement la lumière directe privée de bleu et dun peu de vert, donc diffusée orangée et le soleil est rouge. Juste avant que le soleil ne se couche (quelque fois à certains endroits) on observe le soleil comme un « rayon vert ». Ceci est du à la réfraction des rayons V et B, les rayons V étant plus énergiques, ce sont eux que nous observons.

34 Ce sont les particules de lair qui diffusent certaines longueur dondes du soleil. Phénomène de Diffusion

35 La théorie de Newton nexplique pas tout. En particulier pourquoi un même pinceau lumineux peut- être à la fois réfléchi et réfracté? « Principia » (1687) ou Principes Mathématiques de la « Philosophie Naturelle » (nom donné à la Physique). Cest un modèle de description globale de lUnivers. Sopposent aux « Principes de la Philosophie » de Descartes! Orgueilleux il est accroché à son rêve de loi unique pour tout lunivers …! Et Pourtant!

36 Christian Huygens (1629 – 1695) Théorie ondulatoire Elève de Descartes (1596 – 1650) « Lénergie lumineuse se propage par lintermédiaire de la matière (Ether) comme le son sous forme dondes » Comme Descartes cest un fervent partisan de la mécanique. La lumière a une trajectoire rectiligne. Comment des particules qui se croisent peuvent garder cette trajectoire? Le mouvement est donc dû à des ondes.

37 La lumière va moins vite dans un solide que dans un liquide, dans un liquide que dans un gaz, dans un gaz que dans léther. Christian Huygens et: Réflexion et Réfraction

38 HUHUYGENSYGENSHUHUYGENSYGENS Lair na pas une composition constante et son indice de réfraction varie.

39 Réflexion! ONDES ou CORPUSCULES ? Miroir cercle Les rayons réfléchis forment des caustiques (comme sur une assiette) Rayons incidents Miroir parabolique Les rayons réfléchis forment un point nommé foyer Rayons incidents

40 Huygens ne peut pas lui non plus tout expliquer. Par exemple quand il superpose deux cristaux de calcite les rayons obtenus ont des différences dintensité (double réfraction) et certains rayons peuvent séteindre si lon fait tourner un cristal. Il faut attendre Etienne Louis Malus (1775 – 1812) qui observant à travers un prisme de calcite les rayons solaires réfléchis par une fenêtre du palais du Luxembourg, observe deux images. Il pose alors les prémices de la polarisation de la lumière. Deux forces dans deux plans différents agissent sur londe lumineuse.

41 Polarisation de la lumière Ex Ey E La lumière naturelle (produite par une source thermique par exemple)est un champ E (perpendiculaire au déplacement de londe lumineuse) constant qui varie constamment en orientation car Ex et Ey varient constamment dans le temps. Si on filtre une des deux composantes (Ex ou Ey) à laide dun polarisateur (la calcite par exemple qui na pas le même indice de réfraction dans les deux directions x et y), on obtient une lumière polarisée qui fait ressortir certaines caractéristiques des matériaux (lames de mica, de gypse …). Les verres polarisants ne laissent passer quune composante ce qui atténue de moitié lintensité. En superposant deux verres polarisants et en tournant lun par rapport à lautre, on obtient le noir pour un angle donné. (1788 – 1827) Développement mathématique qui explique la polarisation par Fresnel (1788 – 1827)

42 Newton ne relève que laspect négatif de la théorie ondulatoire. Il fait douter des expériences dHuygens en les refaisant … et il se trompe malgré ses qualités dexcellent expérimentateur. La théorie ondulatoire est abandonnée durant un siècle. Ne pouvant tout expliquer lui-même, Newton amène linfluence de Dieu et dit-il: « La théorie ondulatoire qui dispense de lintervention divine conduit à lathéisme ».

43 Le Siècle des Lumières (XVIII ème siècle) Les bouleversements sociaux, politiques, économiques et philosophiques vont influer sur les questionnements de la science sur elle-même. Après trois séjours à la Bastille, Voltaire sexile (1726) en Angleterre. Il ramène une connaissance dune philosophie anglaise et en particulier la physique Newtonienne. Anticlérical mais déiste, Voltaire apprécie la démarche théologique de Newton. Léglise encourage les scientifiques Newtonien. En 1751 paraît lencyclopédie de Diderot et dAlembert, les luttes pour les dominations coloniales sinstallent, la révolution approche … Pour la majorité du mouvement intellectuel, la science na plus besoin de lintervention divine … La critique est ouverte et constructive! Un siècle pour se révolter (XVIII), un siècle pour comprendre (XIX), un siècle pour établir (XX).

44 L essor révolutionnaire « Psyché recevant le premier baiser de l amour » (toile de Francis Gérard, musée du Louvre). Les arts symbolisent l atmosphère de la révolution. Les sciences sont soulevées par le même élan

45 Thomas Young (1793 – 1829) et les interférences Cest en 1800 que Young remet en question linterprétation corpusculaire de la lumière. En observant les couleurs dune bulle de savon, il voit sentremêler deux ondes réfléchies, lune par la face extérieure et lautre par la face intérieure. Les vitesses de la lumière sont différentes dans lair et dans leau (comme la montré aussi Huygens) Si la différence de marche entre deux faisceaux émis dune même source est un multiple impair de la demie longueur donde, leur superposition est annihilée. Young appelle ce phénomène « Interférence » Il montre laspect ondulatoire de la lumière. Young Et son expérience dite Des « trous de Young » Interférences

46 Diffraction et Interférences d D lL Modèle géométrique si d> : D=d.L/l (Johannes KEPLER ) Modèle ondulatoire si d< : D=1,22.L. d est la longueur donde du rayon lumineux. est la longueur donde du rayon lumineux. est une valeur limite de lordre de. est une valeur limite de lordre de. Puisque varie entre R et B, la sommation dondelettes, créés par d, peut rendre nul ou max lénergie lumineuse. Des anneaux apparaissent autours de la tache. Cest Grimaldi ( ) qui observa le premier des franges colorées par lombre portée dun cheveu sur un écran. Diffraction

47 Le Triomphe de la théorie ondulatoire! François Arago (1786 – 1853) et Augustin Fresnel (1788 – 1827) Esthétique des expériences de loptique ondulatoire: réseau à deux dimensions Un ingénieur père dune théorie fondamentale: Fresnel et loptique ondulatoire Grand scientifique, député, ministre, Arago soutient la science

48 Un ingénieur des Ponts et Chaussées père d une théorie fondamentale: Fresnel et l optique ondulatoire Il développe la fameuse lentille à échelon dite de Fresnel. « Les navigateurs sont prévenus que, dans le courant du mois de juillet 1823, il sera fait un changement au feu du phare de Cordouan, qui continuera d être un feu tournant à éclipses, mais présentera des éclats beaucoup plus vifs,plus courts et plus fréquents. » Il écrit un mémoire (1819) qui fait toujours date sur la diffraction. Les franges sont dues aux interférences des ondelettes émises par chaque point. Il énonce un principe sur ce sujet « principe de Huygens Fresnel ». Puis un autre avec Arago sur la polarisation de la lumière. Puis un autre avec Arago sur la polarisation de la lumière.

49 Vitesse de la lumière? Kepler et Descartes la pensait infini. Galilée et Newton la pensait fini mais nont pas pu la mesurer. Olaüs Römer (astronome danois ) en observant Io un des satellites de Jupiter, lestime à km/s. Hippolyte Fizeau ( ) à laide de deux lunettes, lune à Suresnes et lautre à Montmartre, mesure km/s en Il montre expérimentalement, avec laide de Léon Foucault ( ), que cette vitesse varie avec le milieu. La lumière se propage plus vite dans lair que dans leau.

50 L électromagnétisme, première unification James C. MAXWELL James C. MAXWELL ( ) Rayons gamma rayons x ultra Infrarouge micro-ondes ondes hertziennes violet 1 pm 1 nm 1 m 1 mm 1 m 1 km Lumière = ondes visibles de 375 à 740 nm Hz Hz Hz Hz 10 9 Hz 10 6 Hz Ondes Electromagnétiques Les ondes lumineuses ne sont quun cas particulier des ondes électromagnétiques ! Superposition dun champ électrique et dun champ magnétique.

51 A la limite de la lumière du point de vue longueur donde Les rayons X nous montrent notre monde nouveau Wilhelm K. RÖNTGEN ( ) La main de Bertha Röntgen, première radiographie ( )

52 A la limite de la lumière du point de vue longueur donde Les rayons X nous montrent notre monde nouveau A gauche, l imagerie médicale héritière directe des rayons X; à droite hommage à Antoine Béclère (1856 – 1939), père de la radiologie et radiothérapie françaises

53 Le mariage des théories corpusculaire et ondulatoire Comment expliquer: - La formation progressive dune image photo? (Nicéphore Niepce 1765 –1833 est le premier à réaliser un négatif photo) sinon par la théorie corpusculaire. - Les interférences et la polarisation sinon par la théorie ondulatoire La théorie de la relativité, les quanta de Planck expliquent ces phénomènes en alliant les deux théories. En 1926 les quanta de lumière sont officialisés et nommés PHOTONS. Les corpuscules de Newton ont un nom!

54 -Newton (corpuscules) a proposé une mécanique se référant à un temps et à un espace absolus, identiques dans tous les espaces. -Fresnel (onde) avait donné une référence absolue lEther. -Hendrick Antoon Lorentz (1853 – 1928 Hollande) interprète lexpérience de Albert Michelson (1852 – 1931 Etats-Unis) sur la mesure du vent dEther du à la rotation de la terre, il (Lorentz) montre limpossibilité de lexistence de lEther. Ce nest pas bon pour la théorie ondulatoire! -En 1887, Heinrich Hertz (1857 – 1894) découvre leffet photoélectrique. -En 1900, Planck introduit la notion de quantum (E = n h f). -En 1905 Einstein montre que la lumière est bien formée de photons dénergie égale à un quantum (h f) qui se propagent à la vitesse de la lumière. -En 1916 Einstein énonce la théorie de la relativité générale. Comment réconcilier une théorie discontinue (photons et quanta) avec la théorie ondulatoire (optique physique) ?

55 Interaction de la lumière et de la matière La lumière formée de particules élémentaires remonte aux Atomistes de lAntiquité (Démocrite – , Lucrèce –98-55). Newton: Les atomes dun corps exerce une force sur les corpuscules de lumière, ce qui explique la réflexion et la réfraction. Planck introduit la notion de quantum E=n.h.f. Einstein donne le nom de photons aux particules ou quanta de lumière lors de linteraction matière/lumière. La lumière est une onde constituée de photons. Les photons sont créés par les électrons qui changent de niveaux autours du noyau de latome….

56 Louis de Broglie (1892 – 1987), un physicien pas comme les autres En 1923 Louis de Broglie énonce et démontre: Les franges dinterférences sont prévues par la théorie des ondes. Mais, elle ont été tracées par des actions discontinues dues aux arrivées des divers photons. Maurice de Broglie (frère de Louis) (1875 –1960) travaille sur les rayons X

57 Louis de Broglie un physicien pas comme les autres Quand les électrons se prennent pour des ondes, ils donnent lieu à diffraction. Ces ondes de matière permettent le fonctionnement du microscope électronique. -La mécanique Newtonienne est une bonne approximation pour des corps à grande échelle (échelle céleste). -A léchelle atomique, il est nécessaire dutiliser la notion donde rendant compte des effets quantique. La Mécanique quantique simpose!

58 Ernest Solvay (1838 – 1922) épris de science et … riche finance un congrès réunissant les meilleurs physiciens… Le premier en 1911, le 21ème en 1998…

59 A présent, il y a autre chose que des galets sur la plage de Newton…..mais pour autant la physique a-t-elle réussi? Planck âgé avec sa femme Alfred Kastler (1902 – 1983) propose en 1956 le « pompage optique », cest le LASER dont une des application est lholographie.

60 Pas de bonne physique sans bonnes mesures Dès que les instruments se perfectionnent, on ressent le besoin dun système dunités universel

61 Acquisition des images couleur le calibrage du système Blanc de référence

62 La Science moderne sattache à comprendre le « comment » de la lumière et non plus le « pourquoi » Le capteur est la première étape pour acquérir une image! Gottlieb Nipkow ( ) est le premier a proposé le principe de la caméra.

63 Les premiers enregistrements dimages (30 lignes) réalisés par le procédé mis au point par John Logie Baird (Ingénieur anglais) sur disque. La première émission a été réalisée par la BBC qui émet entre 1932 et 1935, sur son réseau radiophonique, des images, selon le procédé Baird, de 5 cm sur 2 cm.

64 La couleur nexiste pas en tant que telle. Cest seulement dans notre cerveau que la couleur se construit. Tout est affaire de psychophysique en ce qui concerne nos sens perceptifs et en particulier pour la perception de la lumière. De fait, il nest pas exact de disserter sur la « vision des couleurs » car ce nest pas une réalité objective (au sens dobjet) mais subjective (car elle dépend du sujet). On devrait parler de « vision colorée » ou « colorante ». Cest un processus « humain » (œil et cerveau) ou « électronique » (caméra et calculateur) qui crée, qui engendre la couleur. Le triptyque: Illuminant, Objet, Caméra !

65 Chaîne de traitement des images! (1998) « Tri et Reconnaissance de Pollens » -Acquisition -Filtrage -Segmentation -Analyse -Décision

66 Platon (-428/-347) La Vérité, objet de science, nest pas dans les phénomènes mais dans les idées… (soppose à Aristote). Allégorie (Expression dune idée par une image) de la Caverne….

67 La lumière concept abstrait et métaphysique! Energie, Force, Température et Lumière La lumière utilisée comme métaphore Je laisse à votre bon vouloir les questionnements sur:

68 Esprit d analyse Tout un symbole pour la physique des ondes et des corpuscules: les vagues déferlent sur le site de Pleumeur- Bodou Remerciements à Michel DUGAY (Université Blaise Pascal)

69 Mes Principales Sources: [Maitte 1981] Bernard Maitte « La lumière » Point Sciences. [Morenas 1984] Marie Colette Morenas « Propagation de la lumière à travers les siècles » IRESPT, Université Blaise Pascal (Clermont II). [Ronan 1988] Colin Ronan « Histoire mondiale des Sciences » Point Sciences. [Serres 1989] Sous la direction de Michel Serres « Eléments dHistoire des Sciences » Larousse-Bordas. [Léna 1990] Pierre Léna et Alain Blanchard « Lumières » Inter Editions. [Avron 1994] Dominique Avron « Le Scintillant » Presse universitaire de Strasbourg. [Sciences 2000] Revue « Pour la Science » numéro spécial « La couleur ». [Boudenot 2001] Jean-Claude Boudenot « Histoire de la Physique et des Physiciens » Ellipses. [Lange 2002] André Lange « Histoire de la télévision » André Lange. [Allègre 2003] Claude Allègre « Un peu de science pour tout le monde » Fayard. [Trémeau, Fernandez, Bonton 2004] « Image Numérique couleur » Dunod (à paraître). (Histoire des lampes)

70 BrèveChronologie Evènements HistoriquesEvènements CulturelsEvènements Scientifiques 5 millions dEtres Humains Dolmens, pré dynastie en Egypte Sédentarisation (-9000) Ecriture en Mésopotamie Poterie en Thessalie Système métrologique 100 millions dEtres Humains Bataille de Marathon Construction des grands temples Grecs Fondation de Rome (-753) Transcription de lIliade Vigne en Gaule (par les Grecs) Thalès (Prévoit léclipse du soleil) Pythagore (Géométrie Grecque) Démocrite (Atomistes) Incendie de Rome par les Gaulois Peste dAthènes Alexandre roi dEgypte Le Parthénon Premiers dialogues de Platon Fondation dAlexandrie Théorie des 4 éléments Quadrature du cercle Euclide (Dimensions) Hannibal Destruction de Carthage Phare dAlexandrie Grande muraille de Chine Expulsions des Philosophes (Rome) Archimède (Hydrostatique) Travaux mécaniques Conquête de la Gaule par les Romains Révoltes des esclaves à Rome (-75) Poésie dHoraceLucrèce (dernier atomiste grec) Histoire Naturelle Destruction de PompéiInauguration du Colisée Coupole du Panthéon de RomeAstronomie de Ptolémée Conversion de Constantin 200 millions dEtres Humains Développement de la Théologie Chrétienne Encyclopédie des conn. médicales Saint Augustin Prise de Rome par les Barbares Chute de lempire Romain Baptême de Clovis Derniers jeux Olympiques Traduction latine Aristote et Platon Sainte Sophie de Byzance Nombre négatifs (Inde) Classification religieuse des connaissances

71 Evènements HistoriquesEvènements CulturelsEvènements Scientifiques Institution de lEre ChrétienneFermeture de lécole dAthènesMath et Astronomie (Inde) Mort de Mahomet Conquêtes MusulmanesPrise dAlexandrie Moulins à vent en Perse Conquête de lEspagne par les ArabesFondation de BagdadTravaux alchimiques Empire de Charlemagne Les Vikings assiègent Paris Politique scientifique Arabe Schisme entre Rome et Byzance Observatoire de Bagdad Al Kindi Hugues Capet Les Vikings en Amérique Fondation de Cluny « Les Mille et une Nuits » Bibliothèque en Egypte ( liv.) Alchimie, Médecine, Pharm. Roue à aubes en Europe Ibn Al Hait Ham (Alhazen) Apparition du Catharisme Première Croisade La Chanson de Roland Chaque Cathéd. Doit avoir son école Otique dAlhazen Savoir Arabe passe en Latin Deuxième Croisade Saladin prend Jérusalem Fondation de Clairvaux Tristan et Iseult Moulin à vent en Europe Saint Thomas dAquin Première inquisition Croisade contre les Albigeois Marco Polo en Chine Dominicains et Franciscains Université de Padoue Fondation de la Sorbonne Fibonacci (calcul, chiffres arabes, géométrie) Bacon (Arc en ciel) Les Papes à Avignon Début de la guerre de cent ans Dante (La divine Comédie) Université de Cracovie Tables astronomiques Système bielle-manivelle Exécution de Jeanne d Arc Prise de Constantinople Voyage de Christophe Colomb Armes à feu portatives Académie Platonicienne à Florence Villon « Les Testaments » Léonard de Vinci Imprimerie de Gutenberg Légumes améliorés en Italie

72 Evènements HistoriquesEvènements CulturelsEvènements Scientifiques François I – Thèse de Luther Traite des Noirs – Chute de lempire Inca Guerres de religions Défaite de linvincible Armada Michel-Ange – Moïse Ronsard – Les Amours Calendrier Grégorien Montaigne - Essais Magellan Copernic Proportions et perspectives Kepler (Lois de Kepler) Mort de Henri IV Guerre de trente ans Début des droits et brevets en Angleterre Mort de Louis XIII Shakespeare Cervantès – Don Quichotte Rubens – Marie de Médicis Gazette de Renaudot, Rembrandt Descartes Galilée Grimaldi Huygens Cromwell Famine en France Révocation de lédit de Nantes Spinoza – Ethique Molière – Don Juan Racine - Phèdre Newton (Principia) Leibniz (théorie du mouvement) Halley (catalogue des étoiles) Mort de Louis XIV Fondation de Saint-Pétersbourg Construction du Palais Bourbon Vaucanson construit son canard Guerre de succession d Autriche Fénelon – Lettres à lAcadémie Montesquieu – Lettres Persanes J.S. Bach – Passion selon St. Jean Voltaire – Lettres Philosophiques Haendel – Le Messie Taylor (Calcul différentiel) Coke dans un haut fourneau Euler (mouvement des planètes) Celsius échelle thermomécan. Exploitation du pétrole Tremblement de terre à Lisbonne Machine à coudre Indépendance Américaine Corse française Révolution Française Exécution de Louis XVI Encyclopédie de Diderot Rousseau – Du contrat social Kant – Critique de la raison pure Mozart – Les noces de Figaro Goethe – Le premier Faust Première vaccination publique Franklin (paratonnerre) Lavoisier (composition de lair) Carnot (puissance des machines) Coulomb Young Laplace Fresnel Volta

73 Evènements HistoriquesEvènements CulturelsEvènements Scientifiques Fin du Saint Empire Romain Germanique Création de la Banque de france Chute de Napoléon Révolte des Canuts à Lyon Victoria reine dAngleterre Révolutions en Europe Goya – Les désastres de la guerre Hegel – Science de la logique Goethe – Le Divan A. Comte – Le Positivisme V. Hugo – Hernani Proudhon – La Propriété Avogadro Gay-Lussac (Gaz) Malus Darwin - Lamarck Joule (Energie) Pasteur Maxwell Royaume dItalie Guerre de Sécession 1er Internationale Assassinat de Lincoln La Commune de Paris Baudelaire – Les fleurs du mal Zola – Lassommoir Nietzsche – Ainsi parlait Zarathoustra Wagner - Tristan Freud – Linterprétation des rêves Riemann (topologie) Mendel (génétique) Mendeleïev Planck Hertz, Bohr, Einstein Röntgen – Curie Première révolution Russe Epidémie de grippe (1 million de morts) Première Guerre mondiale Début de la radio diffusion Grand crash Economique Deuxième guerre mondiale Fermeture des maisons closes Stravinsky – Loiseau de feu Chaplin – LEmigrant Hergé Tintin aux pays des Soviets Le Cubisme Huxley Le meilleur des mondes Brecht – Galiléo Galiléi Carnet Les enfants du Paradis Flemming (Chromos.) Relativité restreinte Einstein Relativité générale de Broglie Mécanique ondulatoire Von Neumann (th. jeux)


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