"Une lumière invisible provenant du Soleil au-delà du rouge "Une lumière invisible provenant du Soleil au-delà du rouge ? " Expérience et découverte d’Herschel (1800) 1 Qui était Herschel ? William Herschel (1738- 1822) est né à Hanovre en Allemagne, mais a vécu en Angleterre à partir de 1757. Musicien et astronome, comme sa sœur Caroline (1), il est devenu célèbre par ses découvertes de la planète Uranus (1781) et deux de ses satellites puis par sa découverte de deux satellites de Saturne (1789). Il fut le premier à étudier systématiquement les étoiles doubles. A la suite des travaux de Newton, comme de nombreux contemporains, il s’est intéressé au spectre solaire pour étudier les taches solaires. Pour cela il a construit plusieurs télescopes. 2 Observation et nouveau problème pour Herschel En 1800, W. Herschel observe que suivant la couleur du filtre optique qu’il utilise dans ses télescopes, sa sensation de chaleur à l’œil varie avec la sensation de lumière : "Quand j’utilisais certains filtres, j’avais une sensation de chaleur, bien que j’avais peu de lumière, alors que d’autres me donnaient beaucoup de lumière et une faible sensation de chaleur" (Herschel, 1800) (2). Il traite cette observation en termes de "puissance de la chaleur" (3) et de "puissance de la lumière solaire" (4) distribuées dans les "couleurs prismatiques". Son objectif a alors été d’établir une relation entre les deux puissances. 3 Expérience d’Herschel. Nouvelle observation : une lumière invisible ! Pour établir une relation entre "la puissance de la chaleur" et "la puissance de la lumière", il construit un dispositif mettant en jeu le Soleil dont il reçoit les rayons sur une ouverture placée devant un prisme dispersif. Les faisceaux réfractés traversent une ouverture de taille suffisante pour laisser passer "toute l’étendue des couleurs prismatiques". Pour chaque couleur du spectre, Herschel a utilisé trois thermomètres dont les réservoirs sont noircis à l’encre de chine. Un des thermomètres est placé à l’intérieur du rayon coloré à étudier, les deux autres sont placés au delà et de part et d’autre de l’étendue des "couleurs prismatiques" pour vérifier si l’environnement n’est pas perturbé. Il observe que "le pouvoir chauffant des couleurs prismatiques est  très loin d’être également réparti (…) les rayons rouges sont remarquablement pourvus de chaleur  ". Ce résultat serait suffisant pour considérer que W. Herschel a atteint l’objectif qu’il s’était fixé, mais à sa grande surprise, il observe qu’un thermomètre placé "à un demi pouce" (1,35 cm) à côté de la raie rouge, indique la plus grande élévation de température. La "chaleur rayonnante ne se limite donc pas à l’accompagnement d’un effet visuel". Ceci le conduit à une affirmation sur la nature de la chaleur rayonnante : "La chaleur rayonnante, au moins en partie, sinon principalement, serait, si je puis me permettre l’expression, une lumière invisible ; cela revient à dire que les rayons (les particules des rayons) venant du Soleil ont une quantité de mouvement impropre à la vision". Il donne aussi une explication des sensations visuelles et tactiles : "les raies données par le prisme sont perçues par les organes de la vue sous l’apparence de lumière et de couleur, alors que le reste est arrêté par les membranes et humeurs de l’œil, comme sur les autres parties de notre corps et provoque la sensation de chaleur sur les organes". 4 Quelle est la nature de la chaleur rayonnante ? Dilemme d’Herschel Pour vérifier son affirmation : la chaleur rayonnante et la lumière sont de même nature, il entreprend une série d’expériences. Celles-ci doivent lui permettre de vérifier que les "rayons de lumière" et "les rayons de chaleur" donnent lieu aux mêmes phénomènes et suivent les mêmes lois : 6 Aujourd’hui l’infrarouge … Dans le cadre de la théorie ondulatoire, la "chaleur rayonnante" a aujourd’hui trouvé sa place dans le spectre de la lumière "blanche" et porte le nom d’infrarouge. Infra-rouge 5 Young au secours d’Herschel En 1801, Thomas Young demande à Henry C. Englefield de refaire les expériences d'Herschel et le 12 novembre 1801, il affirme dans le cadre d’une théorie ondulatoire et non plus corpusculaire de la lumière : "il semble très probable que la lumière diffère de la chaleur seulement par la fréquence de ses ondes ou de ses vibrations". Il suggère que l’œil peut être sensible seulement à une catégorie de fréquences. 7 Comment refaire l’expérience d’Herschel en classe ? (1) Caroline était l’assistante d’Herschel mais elle s’est très rapidement spécialisée dans l’étude des comètes. (2) Toutes les paroles d’Herschel proviennent de l’article de D. J. Lovell (1968). Herschel’s dilemma in the interpretation of thermal radiation, in ISIS Vol. 59, 1, No. 196, pp 188-198. (3) "puissance de la chaleur" : la faculté de la chaleur à provoquer une plus ou moins grande élévation de température mesurée avec un thermomètre. (4) "puissance de la lumière solaire" : la faculté de la lumière à provoquer une sensation visuelle plus ou moins intense.