Interférences et Diffraction.
Pour ne pas trop diluer l’exposé de l’évolution des idées sur la nature de la lumière, j’ai repoussé en appendice de dire quelques mots des interférences et de la diffraction. Ces deux phénomènes sont présents chaque fois qu’il y a propagation par ondes.
Prenons par exemple les ondes sonores. Si nous disposons d’une source sonore continue donnant une note pure (la plus pratique est un haut-parleur attaqué par un générateur audio-fréquence), on constate facilement qu’en se déplaçant dans la pièce on trouve des positions où le son est fort et d’autres où il est beaucoup plus faible, parfois presque nul. Cela est dû à la réflexion des ondes sonores sur les murs ou autres surfaces. Les ondes directes et les ondes réfléchies interfèrent : comme leurs trajets sont différents, il y a des lieux où elles arrivent en phase (maximum de son) et d’autres où elles arrivent en opposition (minimum de son).
Dans le domaine des ondes hertziennes, le fading qui affecte souvent la réception des ondes courtes provient de l’interférence d’ondes ayant suivi des trajets différents dans leurs réflexions sur les couches ionisées de l’atmosphère et arrivant, suivant les moments, en phase ou en opposition.
Sauf dispositions spéciales très difficiles à atteindre, les interférences se constatent pour des différences de marche d’un petit nombre de longueurs d’onde.
Dans les deux cas ci-dessus, les longueurs d’onde des ondes considérées sont comprises entre l’ordre du décimètre et celui de l’hectomètre.
Mais en optique, les longueurs d’onde sont de l’ordre du demi-micromètre.
On peut donc s’attendre à ne pouvoir observer les interférences qu’à l’aide de dispositifs très délicats. C’est partiellement vrai et les interférences lumineuses ont été étudiées à l’aide des miroirs ou du bi-prisme de Fresnel, de la bi-lentille de Billet, des interféromètres Pérot-Fabry, etc…
Mais nous pouvons en observer de très belles à peu de frais : il suffit de faire des bulles de savon. Ces bulles sont formées d’une paroi aqueuse très mince, qui va d’ailleurs en s’amincissant à mesure que la bulle gonfle, ou simplement que l’eau s’évapore
. Eclairées en lumière blanche, les bulles suffisamment minces présentent des zones colorées souvent très belles dues aux interférences entre les rayons réfléchis sur la face externe de la paroi et ceux réfléchis sur la face interne ; l’épaisseur étant de l’ordre de quelques longueurs d’ondes, certaines radiations de la lumière blanche sont affaiblies et d’autres renforcées, en sorte que la lumière réfléchie résultante n’est plus blanche, mais colorée, cette couleur variant selon l’épaisseur de la paroi à l’endroit regardé et l’incidence des rayons lumineux.
Des couleurs d’interférences dues à un mécanisme différent sont observée en regardant sous certaines incidences un CD audio ou CD-Rom : les sillons sont assez fins et proches pour agir comme réseau de diffraction et décomposer la lumière blanche comme un prisme.
Au lieu d’observer des couleurs, on peut observer des franges d’interférences, c’est ce que permettent les dispositifs scientifiques mentionnés plus haut. Il vaut mieux, alors, travailler en lumière monochromatique, car en lumière blanche les divers systèmes de franges dus aux différentes composantes se superposent et l’on ne peut observer que quelques franges peu nettes.
Un appareil optique très peu coûteux (imbattable à ce point de vue !) est celui des Trous d’Young qui a permis à ce médecin anglais d’observer le premier des franges d’interférence.
Prenez un morceau de papier opaque ou un bristol mince (carte de visite) et avec l’aiguille la plus fine que vous pourrez trouver, faites deux trous très petits très près l’un de l’autre (diamètres et distance de l’ordre du dixième de millimètre).
A travers cet " appareil ", regardez une source lumineuse de forte brillance aussi ponctuelle que possible. Les traités de Physique recommandent le " point brillant " d’une bille d’acier recevant les rayons solaires. Une ampoule de lampe de poche à filament ramassé, sans aucune " optique " autour, fait peut-être l’affaire si on l’observe de plusieurs mètres. Intercalez si possible sur le trajet des rayons lumineux un filtre rouge, la visibilité des franges sera considérablement améliorée.
Vous verrez une petite tache ronde, entourée d’anneaux pas toujours bien visibles, la tache étant striée de fines rayures perpendiculaires à l’alignement des trous, d’autant plus écartées que les trous sont plus proches : ce sont des franges d’interférence.
Quant à la tache ronde et aux anneaux, ce sont la Figure de diffraction créée par le passage de la lumière à travers les petites ouvertures.
C’est ce phénomène de diffraction qui, dans cette expérience, permet l’observation des franges : en raison de la propagation rectiligne de la lumière, les deux faisceaux passant par les trous ne devraient pas avoir de zone commune et donc ne pourraient pas interférer.
La propagation rectiligne de la lumière est perturbée par les obstacles comme les bords d’un orifice ; cet effet est d’autant plus sensible que l’orifice est moins grand par rapport à la longueur d’onde.
Ce sont ces effets de diffraction qui limitent le pouvoir séparateur des instruments d’optique, microscopes ou télescopes.
D’où la recherche de grandes ouvertures pour les télescopes et la compétition entre les observatoires, à qui aura le plus grand miroir.