Fresnel (Arago)/5
Quoique je sache à quel point on s’expose à lasser l’auditoire le plus bienveillant quand on lui parle longtemps du même objet, je me vois encore ramené par la nature des travaux de Fresnel au phénomène de la double réfraction ; mais cette fois, au lieu de m’occuper de la manière dont les rayons se partagent en traversant certains cristaux, j’examinerai les modifications permanentes qu’ils y reçoivent ; je présenterai, en un mot, les principaux traits de la nouvelle branche de l’optique qui porte le nom de polarisation de la lumière.
Tout faisceau lumineux qui rencontre même perpendiculairement une face quelconque, naturelle ou artificielle, d’un de ces cristaux diaphanes qu’on appelle carbonate de chaux, spath calcaire ou cristaux d’Islande, s’y dédouble ; une moitié de ce faisceau traverse la matière du cristal sans se dévier : on l’appelle faisceau ou rayon ordinaire ; l’autre, au contraire, éprouve une réfraction très-sensible, et, par cette raison, on la nomme fort justement le faisceau ou le rayon extraordinaire. Les faisceaux ordinaire et extraordinaire sont contenus dans un seul et même plan perpendiculaire à la face du cristal. Ce plan est très-important à considérer, car c’est lui qui détermine dans quel sens le rayon extraordinaire se dirigera ; on lui a, en conséquence, donné un nom spécial : il s’appelle la section principale.
Ces prémisses posées, je supposerai, pour fixer les idées, qu’un certain cristal d’Islande ait sa section principale dirigée du nord au midi. Au-dessous, et à quelque distance que ce soit, nous placerons un autre cristal, orienté de même, c’est-à-dire de manière que sa section principale soit aussi contenue dans le méridien. Que résultera-t-il de cette disposition si la lumière traverse tout le système ? Un faisceau unique vient frapper le premier mais il en sort deux faisceaux : chacun de ceux-là semble devoir éprouver la double réfraction dans le cristal suivant ; dès lors, on peut s’attendre à avoir quatre faisceaux émergents distincts ; il n’en est rien cependant : les rayons provenant du premier cristal ne se bifurquent pas dans le second ; le faisceau ordinaire reste seulement faisceau ordinaire ; le faisceau extraordinaire éprouve tout entier la réfraction extraordinaire. Ainsi, en traversant le cristal supérieur, les rayons lumineux ont changé de nature ; ils ont perdu un de leurs anciens caractères spécifiques : celui d’éprouver constamment la double réfraction en traversant le cristal d’Islande.
Qu’on veuille bien se rappeler ce que sont des rayons de lumière, et peut-être accordera-t-on alors qu’une expérience à l’aide de laquelle on change leurs propriétés primitives d’une manière aussi manifeste mérite d’être connue, même de ceux pour qui les sciences sont un simple objet de curiosité.
L’idée qui, de prime abord, se présente à l’esprit, quand on veut expliquer le singulier résultat dont je viens de rendre compte, consiste à supposer qu’originairement il y a dans chaque rayon lumineux naturel deux espèces de molécules distinctes ; que la première espèce doit toujours subir la réfraction ordinaire ; que la seconde est destinée à suivre seulement la route extraordinaire ; mais une expérience très-simple renverse cette hypothèse de fond en comble. En effet, lorsque la section principale du second cristal, au lieu d’être dirigée du nord au midi, comme je l’avais d’abord supposé, s’étend de l’ouest à l’est, le rayon qui était ordinaire dans le cristal supérieur devient extraordinaire dans l’autre, et réciproquement.
Qu’y a-t-il de différent, en réalité, entre deux expériences qui donnent des résultats aussi dissemblables ? une circonstance fort simple et de bien peu d’importance au premier aspect ; c’est que d’abord la section principale du second cristal coupait les rayons provenant du premier par leurs côtés nord et sud, et qu’ensuite elle les a coupés dans les côtés est et ouest.
Il faut donc que, dans chacun de ces rayons, les côtés nord et sud diffèrent en quelque chose des côtés est et ouest ; de plus, les côtés nord-sud du rayon ordinaire doivent avoir précisément les mêmes propriétés des côtés est-ouest du rayon extraordinaire ; en sorte que si ce dernier rayon faisait un quart de tour sur lui-même, il serait impossible de le distinguer de l’autre. Les rayons lumineux sont si déliés, que des centaines de milliards de ces rayons peuvent passer simultanément par un trou d’aiguille sans se nuire. Nous voilà cependant amenés à nous occuper de leurs côtés, à reconnaître à ces côtés les propriétés les plus dissemblables.
Lorsqu’en parlant d’un gros aimant naturel ou artificiel, les physiciens affirment qu’il a des pôles, ils entendent seulement, par là, que certains points de son contour se trouvent doués de propriétés particulières qu’on ne rencontre pas du tout dans les autres points, ou qui du moins s’y manifestent plus faiblement. On a donc pu, avec autant de raison, dire la même chose des rayons lumineux ordinaires et extraordinaires provenant du dédoublement qu’éprouve la lumière dans le cristal d’Islande ; on a pu, par opposition avec les rayons naturels, où tous les points du contour semblent pareils, les appeler des rayons polarisés.
Pour qu’on n’étende pas au delà des bornes légitimes l’analogie d’un rayon polarisé et d’un aimant, il importe, toutefois, de bien remarquer que sur le rayon les pôles diamétralement opposés paraissent avoir exactement les mêmes propriétés ; quant aux pôles dissemblables, ils se trouvent constamment sur des points du rayon situés dans deux directions rectangulaires.
Les lignes des espèces de diamètres qui sur chaque rayon joignent les pôles analogues méritent une attention toute particulière. Lorsque, sur deux rayons séparés, ces lignes sont parallèles, on dit les rayons polarisés dans le même plan. Je n’ai donc pas besoin d’ajouter que deux rayons polarisés à angle droit doivent avoir les pôles identiques dans deux directions perpendiculaires l’une à l’autre.
Les deux rayons ordinaire et extraordinaire, par exemple, donnés par quelque cristal que ce soit, sont toujours polarisés à angle droit.
Tout ce que je viens de rapporter sur la polarisation de la lumière, Huygens et Newton le connaissaient déjà avant la fin du XVIIe siècle ; jamais, certainement, un plus curieux sujet de recherches ne s’était offert aux méditations des physiciens ; et néanmoins il faut franchir un intervalle de plus de cent années pour trouver, je ne dirai pas des découvertes, mais même de simples travaux destinés à perfectionner cette branche de l’optique.
L’histoire de toutes les sciences présente une multitude de bizarreries pareilles ; c’est que pour chacune d’elles il arrive périodiquement des époques où, après de grands efforts, on les suppose généralement parvenues au terme de leurs progrès. Alors les expérimentateurs sont en général très-timides ; ils se croiraient coupables d’un manque de modestie, d’une sorte de profanation, s’ils osaient porter une main indiscrète sur les barrières que d’illustres devanciers avaient posées ; aussi se contentent-ils ordinairement de perfectionner les éléments numériques ou de remplir quelques lacunes, au prix d’un travail souvent fort difficile, et qui cependant attire à peine les regards du public.
En résumé, les expériences d’Huygens avaient nettement établi que la double réfraction modifie les propriétés primordiales de la lumière de manière qu’après l’avoir subie une première fois, les rayons restent simples ou se dédoublent, suivant le côté par lequel un nouveau cristal se présente à eux ; mais ces modifications se rapportent-elles exclusivement à la double réfraction ; toutes les autres propriétés sont-elles demeurées intactes ?
Ce sont les travaux d’un de nos plus illustres confrères, comme Fresnel enlevé très-jeune aux sciences dont il était l’espoir, qui nous permettront de répondre à cette importante question : Malus découvrit, en effet, que, dans l’acte de la réflexion, les rayons polarisés se comportent autrement que les rayons naturels ; ceux-ci, tout le monde le sait, se réfléchissent en partie quand ils tombent sur les corps même les plus diaphanes, quelles que soient d’ailleurs l’incidence et la position de la surface réfléchissante par rapport aux côtés du rayon. Quand il s’agit, au contraire, de lumière polarisée, il y a toujours une situation du miroir relativement aux pôles, dans laquelle toute réflexion disparaît si on la combine avec un angle spécial, et qui varie seulement d’un miroir à l’autre, suivant la nature de la matière dont ils sont formés.
Si après cette curieuse observation, la double réfraction cessait d’être l’unique moyen de distinguer la lumière polarisée de la lumière ordinaire, du moins semblait-elle encore la seule voie par laquelle des rayons lumineux pussent devenir polarisés ; mais bientôt une nouvelle découverte de Malus apprit au monde savant, à sa très-grande surprise, qu’il existe des méthodes beaucoup moins cachées pour faire naître cette modification. Le plus simple phénomène de l’optique, la réflexion sur un miroir diaphane, est un grand moyen de polarisation. La lumière qui s’est réfléchie à la surface de l’eau sous l’angle de 37 degrés, à la surface d’un miroir de verre commun sous l’inclinaison de 35 degrés 25 minutes seulement, est tout aussi complétement polarisée que les deux faisceaux ordinaire et extraordinaire sortant d’un cristal d’Islande. La réflexion de la lumière occupait déjà les observateurs du temps de Platon et d’Euclide ; depuis cette époque elle a été l’objet de mille expériences, de cent spéculations théoriques ; la loi suivant laquelle elle s’opère sert de base à un grand nombre d’instruments anciens et modernes. Eh bien ! dans cette multitude d’esprits éclairés, d’hommes de génie, d’artistes habiles, qui durant plus de deux mille trois cents ans s’étaient occupés de ce phénomène, personne n’y avait soupçonné autre chose que le moyen de dévier les rayons, de les réunir ou de les écarter ; personne n’avait imaginé que la lumière réfléchie ne dût pas avoir toutes les propriétés de la lumière incidente, qu’un changement de route pût être la cause d’un changement de nature. Les générations d’observateurs se succèdent ainsi pendant des milliers d’années, touchant chaque jour aux plus belles découvertes sans les faire.
Malus, comme je l’ai déjà expliqué, donna un moyen de polariser la lumière différent de celui qu’Huygens avait anciennement suivi ; mais les polarisations engendrées par les deux méthodes sont identiques ; les rayons réfléchis et ceux qui proviennent d’un cristal d’Islande jouissent exactement des mêmes propriétés. Depuis, un membre de cette Académie (Arago) a découvert un genre de polarisation entièrement distinct et qui se manifeste autrement que par des phénomènes d’intensité. Les rayons qui l’ont subie, par exemple, donnent toujours deux images en traversant un cristal d’Islande ; mais ces images sont teintes dans tous leurs points d’une couleur vive et uniforme. Ainsi, quoique la lumière incidente soit blanche, le faisceau ordinaire est complétement rouge, complétement orangé, jaune, vert, bleu, violet, suivant le côté par lequel la section principale du cristal pénètre dans le rayon ; quant au faisceau extraordinaire, il ne serait pas suffisant d’annoncer qu’il ne ressemblera jamais par la suite au rayon ordinaire ; il faut dire qu’il en diffère autant que possible ; que si l’un se montre coloré de rouge, l’autre sera du plus beau vert, et ainsi de même pour toutes les autres nuances prismatiques.
Quand la nouvelle espèce de rayons polarisés se réfléchit sur un miroir diaphane, on aperçoit des phénomènes non moins curieux.
Concevons, en effet, pour fixer les idées, qu’un de ces rayons soit vertical et qu’il rencontre un miroir réfléchissant, du verre le plus pur, sous un angle d’environ 35° ; ce miroir pourra se trouver à droite du rayon ; il pourra, l’inclinaison restant constante, être à sa gauche, en avant, en arrière, dans toutes les directions intermédiaires. On se souvient que le rayon incident était blanc ; eh bien, dans aucune des positions du miroir de verre, le rayon réfléchi n’aura cette nuance : il sera tantôt rouge, tantôt orangé, jaune, vert, bleu, indigo, violet, suivant le côté par lequel la lame de verre se sera présentée au rayon primitif, et c’est précisément dans cet ordre que les nuances se succéderont si l’on parcourt graduellement toutes les positions possibles. Ici, ce ne sont pas seulement quatre pôles placés dans deux directions rectangulaires qu’il faut admettre dans le rayon ; on voit qu’il y en a des milliers ; que chaque point du contour a un caractère spécial ; que chaque face amène la réflexion d’une nuance particulière. Cette étrange dislocation du rayon naturel (on me passera ce terme puisqu’il est exact) donne ainsi le moyen de décomposer la lumière blanche par voie de réflexion. Les couleurs, il faut l’avouer, n’ont pas toute l’homogénéité de celles que Newton obtenait avec le prisme ; mais aussi les objets n’éprouvent aucune déformation, et, dans une multitude de recherches, c’est là le point capital.
Pour reconnaître si un rayon a reçu soit la polarisation d’Huygens et de Malus, soit celle dont je viens de parler, et qu’on a appelée la polarisation chromatique, il suffit, comme on a vu, de lui faire éprouver la double réfraction ; mais de ce qu’un faisceau en traversant un cristal d’Islande donnerait toujours deux images blanches également vives, il ne s’ensuivrait pas qu’il est formé de lumière ordinaire ; c’est là encore une découverte de Fresnel. C’est lui qui le premier a fait voir qu’un rayon peut avoir les mêmes propriétés sur tous les points de son contour et n’être pas cependant de la lumière naturelle. Pour montrer, par un seul exemple, que ces deux espèces de lumière se comportent différemment et ne doivent pas être confondues, je dirai qu’en éprouvant la double réfraction un rayon naturel qui vient de traverser une lame cristalline donne deux images blanches, tandis que dans les mêmes circonstances le rayon de Fresnel se décompose en deux faisceaux vivement colorés.
On imprime aux rayons polarisés ordinaires cette modification nouvelle qui, n’étant pas relative à leurs divers côtés, a été désignée par le nom de polarisation circulaire, en leur faisant subir deux réflexions totales sur des surfaces vitreuses convenables.
Le plaisir d’avoir attaché son nom à un genre de polarisation jusque-là inaperçu, eût probablement suffi à la vanité d’un physicien vulgaire, et ses recherches n’eussent pas été plus loin ; mais Fresnel était conduit par des sentiments plus élevés : à ses yeux rien n’était fait tant qu’il restait quelque chose à faire ; il chercha donc s’il n’y aurait pas d’autres moyens de produire la polarisation circulaire, et, comme d’habitude, une découverte remarquable fut le prix de ses efforts. Cette découverte peut être énoncée en deux mots : il y a un genre particulier de double réfraction qui communique aux rayons la polarisation circulaire, comme la double réfraction du cristal d’Islande leur donne la polarisation d’Huygens. Cette double réfraction spéciale résulte non de la nature du cristal, mais bien de certaines coupes que Fresnel a signalées. Les propriétés des rayons polarisés circulairement conduisirent aussi notre confrère à des moyens nouveaux et très-curieux de faire naître la polarisation colorée.
Dans tous les temps et dans tous les pays, on trouve des esprits moroses qui, assez disposés à proclamer la gloire des morts, ne traitent pas à beaucoup près leurs contemporains avec la même faveur. Dès qu’une découverte apparaît, ils la nient ; ensuite ils contestent sa nouveauté, et feignent de l’apercevoir dans quelque ancien passage bien obscur et bien oublié ; enfin, ils soutiennent qu’elle a été seulement le fruit du hasard.
Je ne sais si les hommes de notre siècle sont meilleurs que leurs devanciers ; toujours est-il qu’aucun doute ne s’est élevé ni sur l’exactitude, ni sur la nouveauté, ni sur l’importance des découvertes dont je viens de rendre compte. Quant au hasard, l’envie la plus aveugle n’eût pas osé ici l’invoquer, tant les appareils employés par Fresnel dans l’étude de la polarisation circulaire étaient compliqués, minutieux et allaient droit au but qu’il se proposait. Peut-être même serait-il convenable d’avertir que la plupart d’entre eux avaient été suggérés par des idées théoriques ; car, sans cela, plusieurs des expériences de notre confrère sembleraient offrir des combinaisons dont il eût été pour ainsi dire impossible que personne s’avisât. Si en écrivant l’histoire des sciences il est juste de mettre dans tout leur jour les découvertes de ceux qui les ont cultivées avec gloire, il importe aussi, ce me semble, d’éviter qu’on y puisse trouver un sujet de découragement.