Histoire de l'optique

En histoire des sciences, l'optique a connu de nombreux développements de l'Antiquité à nos jours. D'une étude pratique de la vision chez les êtres vivants, elle est passée en plusieurs étapes à une étude de la lumière avant d'être incorporée dans un corpus de la physique beaucoup plus large.

Les premiers travaux concernent la mise au point pratique de lentilles par les Égyptiens et Babyloniens, puis les premiers essais de théorisation avec l'optique géométrique se font en Grèce.

C'est au Moyen Âge, dans les sociétés arabo-musulmanes, qu'on commence à conceptualiser le rayon lumineux comme un phénomène indépendant de l'œil humain, et à exclure la vision du champ d'étude de l'optique.

Durant la Renaissance, l'Europe développera diverses instruments optiques (lunette astronomique, télescope, microscope) à la base de plusieurs révolutions scientifiques. Toutefois c'est avec Newton et Huygens que l'optique connaît des développements théoriques importants : Newton à l'aide d'un prismes montre que la lumière blanche peut être décomposée en plusieurs lumières de différentes couleurs (voir spectre lumineux) tandis que Huygens postule la nature ondulatoire du phénomène (voir principe de Huygens) et initie ainsi l'optique ondulatoire (phénomène de diffraction et interférence).

Au XIX siècle, Maxwell incorporera l'optique dans un corpus plus large, celui de l'électromagnétisme :

• le domaine optique du spectre lumineux n'est en fait qu'une petite partie du spectre électromagnétique
• l'onde lumineuse devient porteuse de l'interaction électrique et magnétique, l'optique devient vectorielle où le phénomène de propagation est alors décrit par un champ vectoriel.

Au XX siècle naît, suite à la révolution de la mécanique quantique, l'optique quantique. Une application en est le laser.

Les premières lentilles optiques furent fabriquées sous l'empire assyrien et ont été datées d'avant -700 av. J.-C. : il s'agissait de cristaux polis, la plupart du temps du quartz. Des lentilles similaires furent aussi inventées durant l'Égypte antique, la Grèce antique et la Babylonie. Les Romains et les Grecs remplissaient des sphères de verre avec de l'eau pour en faire des lentilles; toutefois les lentilles de verre ne furent pas considérées jusqu'au Moyen Âge.

Les premières théories en matière d'optique apparurent en Grèce. Euclide, au IIIe siècle av. J.-C. est l'auteur probable d'une théorie d'optique géométrique, les Catoptrica (Théorie des miroirs), qui voit apparaître la notion de rayon lumineux. À la même époque, Archimède a très certainement travaillé dans ce domaine, même si la réalité historique de ses célèbres miroirs embrasant les vaisseaux ennemis est très douteuse. Héron d'Alexandrie, au Ie siècle de notre ère, écrit également des Catoptrica et au siècle suivant Ptolémée rédige une Optique. Il y traite des propriétés de la lumière, notamment de la réflexion, de la réfraction, et singulièrement de la réfraction atmosphérique, ainsi que de la couleur. Ses travaux sur la réflexion portent tant sur les miroirs plans que sur les miroirs sphériques. En ce qui concerne la réfraction, s'il ne parvient pas à en définir la loi fondamentale, il montre que l'angle de réfraction croît à mesure que croît l'angle d'incidence et il établit des tables pour l'air et l'eau.

Au sujet de la vision, les Grecs étaient partagés en deux camps. Les "intramissionnistes" pensaient que les objets envoyaient des émanations qui parvenaient aux yeux des observateurs. Parmi eux, les atomistes considéraient que ces émanations étaient des atomes ténus. À l'inverse, les "extramissionnistes" estimaient que les yeux projetaient un flux qui établissait un contact avec l'objet, à l'instar du toucher. Ptolémée se range plutôt parmi les seconds mais tente un début de synthèse : pour lui, la vision résulte d'une interaction entre le "flux visuel" (visus dans le texte latin) issu des yeux et certaines propriétés de l'objet : compacité lumineuse et couleur. S'il ne recèle pas par lui-même de luminosité, l'objet doit être éclairé, stimulé en quelque sorte, pour que l'interaction se produise. L'Optique de Ptolémée ne nous est malheureusement pas parfaitement connue, car elle ne nous est parvenue que par l'intermédiaire d'une traduction latine, elle-même issue d'une traduction arabe assez imparfaite et incomplète : le livre I, qui contient la théorie de la vision, est perdu. Son propos est cependant connu par un bref résumé au début du livre II et les grandes lignes de sa théorie de la vision peuvent aussi se déduire d'indications éparses dans le texte.

Les premiers travaux d'importances furent ceux d'Al-Kindi (vers 801–873) : dans son œuvre De radiis stellarum (traduction latine), il développe la théorie que "toute chose dans le monde [...] émet des rayons dans toutes les directions, ce qui remplit le monde entier.". Puis Ibn Sahl (vers 940-1000), mathématicien Persan à la cour de Bagdad, écrit un traité vers 984 sur les miroirs brûlants et les lentilles dans lequel il expose comment les miroirs courbes et les lentilles peuvent focaliser la lumière en un point. On y trouve la première mention de la loi de la réfraction redécouverte plus tard en Europe sous le nom de loi de Snell-Descartes. Il utilisa cette loi pour établir la forme de lentilles et miroirs capables de focaliser la lumière sur un point de l'axe de symétrie.

• Développement de la théorie et de l'observation (voir maison de la sagesse) : l'œil se conçoit comme un récepteur et non un émetteur (voir Ibn al-Haytham)
• L'instrumentation et la technique se développe : amélioration des lentilles, lunettes, observatoires astronomiques
• Première mention de la loi de la réfraction (sans suite)

• Nature corpusculaire de la lumière : développement de l'optique géométrique (énoncé de la loi de la réfraction, stigmatisme), Newton
• Nature ondulatoire de la lumière : principe de Huygens, diffraction, fentes de Young, interférence
• Progrès techniques : lunette astronomique, microscope, télescope
• Mesures de la vitesse de la lumière

• Intégration de l'optique dans la théorie électromagnétique
• Holographie
• Mesure précise de la vitesse de la lumière
• Théorie d'Einstein de la relativité restreinte :
• Optique quantique : laser, photon, effet tunnel, etc.
• Métamatériaux