Qu'est-ce que la lumière ?...

« Si nous savions ce qu'est un rayon de lumière, nous saurions beaucoup de choses » (Louis de Broglie). Qu’est-ce que la lumière ? Cette question peut paraître insolite dans notre essai apologétique. Elle peut aussi écarter les esprits les moins scientifiques. Elle peut enfin nous égarer dans des polémiques sans fin. Nous allons néanmoins tenter de répondre à cette question qui au-delà de la Science, nous conduira vers une meilleure connaissance de la Création mais aussi vers des questions fondamentales sur l’intelligibilité du Monde. Cette étude nous aidera aussi à mieux comprendre nos limites dans l’ordre de la connaissance scientifique. 

Puis comment pouvons-nous défendre notre foi face à certaines propositions supposées scientifiques sans connaître les principes qui les fondent ? Le scientisme et le déterminisme laplacien ne résistent pas en effet face à de telles questions et aux réponses que la Science a apportées.  Enfin, nous aborderons peu à peu des erreurs qui aujourd'hui sèment la confusion dans les esprits et égarent les intelligences dans le scepticisme et le relativisme. Nous allons donc tenter d’exposer la question de la lumière, source de bien de révolutions dans notre manière de penser.

Théorie corpusculaire contre théorie ondulatoire

Depuis le XVIIe siècle, les scientifiques se sont débattus sur la nature de la lumière. Deux conceptions se sont longtemps affrontées. Fidèles à Newton, certains scientifiques concevaient la lumière comme un flux de particules porteur d’énergie (théorie corpusculaire) quand d’autres l’imaginèrent comme une vibration de particules qui se transmettent de proche en proche dans le milieu qui nous entoure (théorie ondulatoire). Dans la théorie corpusculaire, les particules seraient émises dans le milieu par les corps lumineux, à une extrême vitesse. Dans la théorie ondulatoire, la lumière est plutôt semblable à une onde sonore qui se propage dans l’air ou aux vagues qui se déplacent sur la mer.

La victoire de la théorie ondulatoire

Au XIXe siècle, des expériences convainquirent les scientifiques que la théorie ondulatoire était plus conforme à la réalité. La lumière fut donc perçue comme une pure propagation mécanique à partir d’une source. Mais cette hypothèse ne tenait pas sans l’existence d’un milieu pour la porter. L’onde sonore a besoin d’air pour se propager comme les rides sur l’eau ont besoin effectivement d’eau. La théorie ondulatoire nous oblige alors à émettre l’hypothèse de l’existence d’un milieu invisible dans l’espace : l’éther. La lumière fut donc représentée comme une vibration qui se propage de proche en proche dans l’éther.

Toujours au XIXe siècle, le scientifique James Clark Maxwell (1831 - 1879) précisa la nature électromagnétique de la lumière. Il élabora quatre lois qui décrivent la façon dont le rayonnement électromagnétique se propage sous forme d’onde. Elles sont à l’origine de la conception d’objets quotidiens aussi familiers que le poste de télévision ou la radio. Maxwell découvrit aussi que la vitesse de la lumière était fixe : environ 300 000 km par seconde. Cette dernière découverte allait bouleverser toute la science…

A l’aube du XXème siècle, l’homme avait-il enfin résolu une des questions qui le tourmentaient depuis la nuit des temps ?

Quelques questions bouleversantes

La lumière sous forme d’onde n’est pas compréhensible sans l’existence de l’éther. Les scientifiques cherchèrent donc à découvrir les propriétés de ce milieu invisible. Ses propriétés paraissaient étranges. Il devait être constitué de charges électriques dont le changement de polarisation permettrait à la lumière de se propager. Il devait traverser certains corps, ne pas les ralentir dans leur mouvement. Il avait aussi des propriétés propres au solide. Étrange milieu que l’éther…

Un jour, dans son bureau, un homme se posa une question : que se passerait-il si nous nous déplacions à la vitesse de la lumière en tenant devant nous un miroir ? Rappelons que si notre image se reflète sur le miroir, cela signifie que la lumière se propage de notre visage jusqu'au miroir. Si nous voyons notre visage sur le miroir, cela revient à dire que la lumière va plus vite que la vitesse de notre mouvement, qui est, rappelons-nous, la vitesse de la lumière. Or la vitesse de la lumière est fixe. Donc la lumière ne peut pas aller plus vite que notre mouvement. En conclusion, il n’est pas possible de se voir. Mais si le miroir ne reflète pas notre visage, nous savons alors que nous bougeons à la vitesse de la lumière. Nous connaissons notre vitesse. Cela signifie alors que notre mouvement est indépendant d’un référentiel. Notre vitesse nous est en effet connue dans notre propre mouvement. Pour être plus clair, cela reviendrait à connaître la vitesse d’une voiture en prenant comme repère  la voiture en mouvement ! Cette conclusion s’oppose évidemment à la mécanique classique et à notre bon sens. La vitesse de la voiture n’est connue qu’en fonction d'un repère fixe par rapport à la voiture, par exemple la route. Un mouvement n’est en effet perceptible que par rapport à un objet fixe, à un référentiel. Douloureuse contradiction...

Des théories incompatibles !

En effet, depuis au moins le cardinal Nicolas de Cues (1401 -1464) et surtout depuis Newton, nous savons que tout mouvement est relatif à un référentiel. Un voyageur assis dans un train sait qu’il quitte la gare quand il regarde le quai qui reste immobile. Si deux trains circulent dans le même sens à la même vitesse, un voyageur assis dans le premier train ne saura pas qu’il bouge en regardant le second train. Il a besoin d’un repère fixe. Le mouvement se détermine à partir d’un objet immobile. La vitesse répond à la même exigence. En outre, comme la vitesse est la mesure d’une distance parcourue en un temps fixé, il faut aussi une montre qui mesure le temps. Tout mouvement est ainsi déterminé en fonction d’un référentiel (espace, temps).

Le scénario, appelé parfois  « expérience de la pensée », que définit le jeune homme dans son bureau expose en fait une contradiction de la physique classique : le mouvement de la lumière peut être défini sans le rapporter à un référentiel. Si la lumière a une vitesse fixe, cela revient à dire qu’elle est indépendante de tout repère. Une simple question, certes irréaliste, montre l’incompatibilité des théories de la physique classique. Nous pouvons alors comprendre toute l’inquiétude de cet homme qui a finalement remis en cause des théories scientifiques réputées inébranlables. « Quand j’étais jeune il m’arrivait de passer des semaines dans un état second, comme quelqu'un qui devait encore à l’époque surmonter l’état de stupéfaction causé par sa rencontre avec ce genre de questions ». Cet homme était Einstein (1879 - 1955). Par la seule réflexion et sans aucune expérience, il est arrivé à ébranler les certitudes scientifiques de son époque…

La fin des certitudes

Revenons à notre train et à la lumière. Un voyageur assis dans un TGV ne peut pas déterminer son mouvement sans préciser le référentiel dans lequel il le définit. Il est immobile dans le train mais il bouge dans le paysage supposé fixe. Il n’est pas possible de percevoir son mouvement en se référant à un objet fixe du train. Or Einstein montre que le mouvement de la lumière est détectable à partir d’un référentiel interne au mouvement. Dans l’hypothèse de la théorie ondulatoire de la lumière, nous concluons alors que l’éther est un milieu au repos absolu. Le mouvement de la lumière est identifiable car l’éther est immobile. Cette propriété est assez insolite. L’air qui se trouve dans l’habitacle de notre voiture qui roule est « emporté » par la vitesse de notre véhicule. L’éther est insensible au mouvement de la voiture.

Étant en repos absolu, l’éther serait alors un parfait référentiel à partir duquel il serait possible de déterminer tous les mouvements. Les physiciens vont alors tenter de déterminer le mouvement de la Terre par rapport à l’éther. Mais à la fin du XIXe siècle, une expérience [5] montre que l’éther est aussi « emporté » par le mouvement de la Terre. Cruelle contradiction ! La vitesse de la lumière, qui se propage dans l’éther, serait alors modifiée par le mouvement de la Terre ?! Cela devient incompréhensible ! Or de nouvelles mesures confirment que la vitesse de la lumière est fixe. La théorie est-elle donc fausse ? Les différentes branches de la Science se contredisent… Les scientifiques ne comprennent plus rien. Toutes leurs certitudes s’écroulent…

Quand vous marchez dans un TGV dans la même direction et dans le même sens que ceux du train, votre vitesse par rapport à un observateur immobile sur un quai est la vitesse du train à laquelle s’ajoute la vitesse de votre marche. C’est ce que nous appelons la composition des vitesses. Or les expériences que nous avons mentionnées précédemment montrent que la vitesse de la lumière est invariable que le train soit en mouvement ou au repos. Elle n’obéit donc pas à cette loi de composition…

Certains scientifiques ont tenté de porter secours à la théorie en supposant de nouvelles propriétés de l’éther. Nous retrouvons alors un réflexe scientifique courant : quand une théorie est contredite par des expériences, la théorie est complexifiée par de nouvelles hypothèses pour sauver les apparences. Les successeurs de Ptolémée ont en effet surchargé le modèle géocentrique au point de le rendre très complexe. Parfois, il est plus sage de rejeter le modèle. Comme Copernic à l’égard du géocentrisme, Einstein décide de rejeter l’hypothèse de l’éther et de redéfinir de nouveaux principes. Une nouvelle théorie va naître, celle de la relativité…

A en perdre son latin…

Einstein a démontré l’incompatibilité des théories de la physique classique et leurs limites. Une expérience va poser un nouveau problème à la communauté scientifique.

Une expérience avait montré la nature ondulatoire de la lumière. Cette expérience est connue sous le nom de « trous de Young » du nom de son inventeur. Nous allons la décrire de manière très simple. Imaginons une cloison qui dispose de deux trous sur un axe horizontal. Un faisceau lumineux est envoyé sur cette cloison. Il la traverse alors uniquement par les deux fentes. Nous obtenons en quelques sortes deux sources lumineuses. Au-delà de cette cloison est disposé un écran sur lequel se projettent les faisceaux lumineux qui proviennent des deux trous. Sur cet écran, nous pouvons alors voir alternativement des franges claires et foncées. C’est ce qu’on appelle une interférence.  Les deux faisceaux, qui passent simultanément par les deux fentes, se croisent. C’est une manifestation classique d’une onde qui se décompose. La lumière devrait donc être une onde puisqu'elle se manifeste comme une onde.

Clichée obtenu en envoyant de la lumière
avec une faible intensité à travers des fentes d'Young

Des scientifiques ont réalisé une expérience identique [1] mais en remplaçant dans un premier temps le faisceau lumineux par un faisceau d’électrons. Un faisceau d’électrons est envoyé sur la cloison qui dispose de deux fentes. Les électrons qui passent par les fentes laissent ensuite une tache brillante sur l’écran, ce qui permet d’enregistrer leur impact. Si une des deux fentes est obstruée, nous observons une seule tâche lumineuse. Or quand les deux trous sont ouverts, nous retrouvons des bandes claires et sombres successivement. Le faisceau d’électrons se comporte donc comme une onde. Les électrons qui passent à travers une fente s’interfèrent avec les électrons qui passent par l’autre fente, créant ainsi une interférence. 

La lumière serait-elle un faisceau de particules ?

Dans un deuxième temps, les scientifiques ont envoyé des particules l’une après l’autre sur la cloison. Nous pouvons alors imaginer que des particules passent par la première fente ou par la seconde, ou par aucune. En localisant son impact sur l’écran, il est possible de déterminer par quelle fente une particule est passée. En outre, en bouchant successivement une des deux fentes, ils ont calculé la probabilité qu’une particule passe par la première ou par la deuxième fente. Les deux fentes étant de nouveau ouvertes, les scientifiques constatent sans grande surprise que la répartition des particules sur l’écran obéisse aux probabilités calculées. Tel est le comportement normal des particules…

Les scientifiques ont ensuite envoyé des électrons un par un sur la cloison, espérant évidemment retrouver le même résultat. Après avoir calculé les différents taux de probabilité avec l’une des deux fentes obstruée, ils font la même expérience avec les deux fentes ouvertes. Comme dans le cas précédent, chaque électron est d’abord localisé sur l’écran conformément aux différentes probabilités. Mais après un certain temps, sur l’écran se dessinent des franges plus ou moins épaisses d’impacts, c’est-à-dire des interférences comme dans le cas des ondes. 

Les impacts se regroupent en effet par petits paquets compacts. Si l’un des deux trous est de nouveau obstrué, cette interférence disparaît. Les scientifiques sont abasourdis : chaque électron individuel se comporte comme une onde ! S’interfère-t-il avec lui-même comme s’il était un paquet de particules ? Se divise-t-il devant la cloison pour passer en même temps dans les deux fentes ? Tout se passe en effet comme si l’électron passait par les deux fentes en même temps !... Les scientifiques ne sont qu’au début de leur cauchemar. 

Les impacts sont  aléatoires. Si nous répétons l’expérience, les impacts seront en effet différents mais nous obtiendrons toujours des bandes sombres et claires. Le phénomène semble être probabilistique.

Pour savoir ce qu’il se passe au niveau des fentes, les scientifiques vont alors chercher à localiser l’électron au niveau de la cloison en utilisant un détecteur. De nombreuses mesures sont donc réalisées en envoyant électron un par un. Selon le détecteur, l’électron passe tantôt par une fente, tantôt par une autre. Soulagement ! Mais consternation : ils ne retrouvent plus le dessin de diffraction sur l’écran ! Ils observent deux tâches lumineuses. En clair, quand les scientifiques essayent de détecter un électron au niveau des fentes, il se comporte comme une particule mais quand ils n’utilisent pas de détecteur, il se comporte comme une onde, comme s’il était passé simultanément par les deux trous ! Les résultats de l’expérience sont donc différents selon les méthodes d’observation. La mesure interfère-elle avec le comportement des particules ?…

Nous en concluons donc :

• qu’un électron peut avoir un comportement de particule comme un comportement d’onde ;
• que le fait de vouloir le détecter conduit à lui faire changer de comportement. 

Nous sommes aux antipodes de la physique classique !

Et si la lumière …

Impacts des photons isolés
au fur et à mesure après passage
dans les fentes de Young

Les effets photoélectriques [4] sont compréhensibles si nous considérons la lumière sous forme d’onde. Mais si nous effectuons certaines mesures, les résultats obtenus sont incompatibles aux lois qui régissent les ondes. Elles correspondent plus à une nature corpusculaire. La lumière peut-elle avoir comme l’électron deux comportements différents ?

Dans l’expérience des fentes, la lumière a un comportement ondulatoire, dans l’effet photoélectrique, elle se comporte comme un ensemble de corpuscules. La lumière est aujourd'hui définie comme un ensemble de photons qui se manifestent soit de manière ondulatoire, soit de manière corpusculaire. Mais les deux aspects, corpusculaires et ondulatoires, sont indissociables. La lumière se comporte à la fois comme une onde et comme un flux de particules, et non séparément.

Allons plus loin dans l’invraisemblance

En reprenant les suggestions d’Einstein sur la dualité onde/ corpuscule de la lumière, le physicien Louis de Broglie suggère une autre hypothèse : la dualité appliquée à la lumière pourrait être étendue à la matière. La matière pourrait en effet posséder la double entité corpusculaire et ondulatoire, être corpuscule et onde à la fois. Dans la vie quotidienne, l’un de ses aspects est négligeable. C’est pourquoi certaines choses apparaissent sous forme d’onde, d’autres sous forme corpusculaire. Mais au niveau des particules, les deux aspects ne peuvent être négligés… Des expériences confirment son hypothèse…

Conclusion

A la fin du  XIXe siècle, des scientifiques pensaient avoir atteint les lois fondamentales de la physique au point de clamer la triomphe de la raison au détriment de la philosophie et de la métaphysique. Mais le début du XXe siècle annonce un revirement spectaculaire de la pensée scientifique. L’inébranlable certitude laisse sa place à une profonde inquiétude. La communauté scientifique s’agite pour trouver des explications. Une intense activité se déploie dans les laboratoires et les universités. Des découvertes s’enchaînent rapidement. Les idées virevoltent. Des scientifiques talentueux apparaissent et se succèdent sans discontinuité. Un monde nouveau finit par naître. Au début du XXe siècle, en très peu de temps, la connaissance de notre Monde a été bouleversée.

Les concepts que nous utilisons couramment dans la physique classique sont-ils devenus un obstacle à la compréhension de la réalité dans l’infiniment petit ? Devons-nous inventer d’autres concepts plus complexes, toujours plus abstraits, toujours plus éloignés de la réalité ? Plus nous abstrayons la réalité, plus elle devient explicable. Plus nous nous éloignons de la réalité, plus nous la saisissons. Telle est le paradoxe que nous révèlent la théorie de la relativité et la physique quantique. « Par l’évolution des théories, la physique est sans doute arrivée à donner de l’Univers une image construite, construite d’une façon abstraite, mais autrement plus approchée du réel que ne l’étaient les images de Ptolémée et de Newton »[2].

Nous croyons connaître alors que finalement notre ignorance est incommensurable. La réalité se soumet difficilement à nos modèles dérisoires. La Nature recèle des mystères encore plus grands que ce que nous croyons. Cette douloureuse expérience de la physique devrait nous rendre davantage plus humbles devant les limites de la Science et de la Raison. Cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas connaître – loin de nous le scepticisme - mais que la connaissance nécessite avant tout prudence et humilité. La pensée scientifique ne peut saisir toute la réalité telle qu’elle est. La connaissance ne se bâtit pas uniquement à partir de la raison et de l’expérience. Que dirait aujourd'hui Laplace devant l’aveu actuel de la Science ? Exclurait-il encore Dieu comme hypothèse ? Pourtant, des scientifiques essayent de trouver la formule qui expliquerait tout comme il existe des savants qui pensent avoir trouvé les clés de la vie au point de jouer les apprentis sorciers. Quelles expériences dramatiques leur feront-ils prendre conscience de leurs vanités ?

« Il y a plus de questions que de réponses – et plus je découvre, moins je sais » (Johnny Nash)[3].

Références

[1] En 1927, Davisson et Germer ont effectué une autre expérience, plus simple à réaliser. Elle aboutit aux mêmes conclusions (diffractions des électrons dans un cristal de nickel). L’expérience des fentes de Young est plus tardive car plus complexe à réaliser. La première réalisation date de 1961 (Claus Jönsson).
[2]Aline Lizotte, Le Monde que je vois, 1980.
[3] Cité dans John Gribbin, A la poursuite du Big Bang, Interlude deux, 1992, Flammarion.

[4] L'effet photoélectrique désigne "l'émission d'électrons par un matériau soumis à l'action de la lumière" et parfois par extension "l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau provoqué par l'action de la lumière" (Wikipédia).


[5] Expérience de Michelson et Morley (entre 1881 et 1887).