La lumière et la vision




Homère et Hérodote ne classaient pas les 7 couleurs dans l'ordre de l'arc en ciel mais ils connaissaient la couleur pourpre, une sensation colorée.
Joseph von Fraunhofer, 1787-1826, ici avec son spectroscope, tableau du Deutsches Museum in Fenêtres sur l'Univers de Richard Learner Ed. Denoël 1984

Dans l’Antiquité la lumière et la vue sont liées, à la rencontre l’un de l’autre. La lumière projetée par le feu, ou par le Soleil vient rejoindre - dans le milieu intermédiaire - les effluves lancées par le regard. Platon décrit ce mécanisme de la « synaugie » comme la fusion en un seul corps de deux mouvements opposés de la lumière. Empédocle imaginera une propagation alternée : la lumière va tantôt de l’objet vers l’œil quand on est ébloui, tantôt de l’oeil vers l’objet quand on scrute.

Les premières idées sont souvent les meilleures. Sur cette stèle égyptienne du IXe siècle avant notre ère, des rayons de lumière proviennent du Dieu-Soleil, Ra, et se propagent vers la Dame de Taperet submergée par une rafale de bignonnes de couleur jaunes, oranges, roses, rouges… des trompettes de Jéricho. Ici 3 idées: 

  • la lumière se propage du Soleil vers l’œil,
  • elle est formée de rayons lumineux se propageant en ligne droite,
  • des rayons lumineux eux-mêmes constitués d’éléments de différentes couleurs. 

 Pour Homère, la lumière jaillissait du bouclier d’Achille comme un feu. L’airain des armures lançait des éclairs même pendant la nuit (avec Lune j’imagine). La lumière est pénétrante, elle se propage en ligne droite. Son rayonnement est très rapide, perceptible à de grandes distances. «Les yeux, affirmait Homère, projettent des rayons de feu subtils, à la rencontre de ce feu extérieur» ; Aristote rectifiera : la lumière ne peut surgir de l’œil, comme d’une lanterne, sinon on y verrait la nuit. Héron d’Alexandrie (fl. 62) dira : «Dès qu’on ouvre l’œil on voit les étoiles»

La lumière est un milieu dans lequel baigne le monde. La notion de rayon lumineux n’est pas naturelle.



Vitrail de John Piper en hommage à William Blake. Image in www.pinterest.fr

Revenons au VIIe siècle, Job, notre sémite s’interroge avec pertinence :

«Par quelle route la lumière se divise-t-elle ?»

Une phrase concernant la lumière, remarquée par Ernest Renan, celèbre hébraïsant du Collège de France, et par William Blake, le poète anglais.

A l’inverse des représentations classiques de La Création avec une Lune toujours Pleine, ce vitrail de John Piper montre le mince croissant d’une Lune toute nouvelle qui, hélas, baigne encore dans les profonds ténèbres de la nuit.…alors que son éclairage, un croissant aigu, prouve sans ambiguité que le jour est déjà levé et même le Soleil.

Cette photo Nasa, du cratère Thalès en éclairage solaire rasant montre qu’un flanc du cratère est bien éclairé par le Soleil tandis que la paroi opposée demeure dans l’obscurité totale. Derrière le buste de Thalès une éclipse totale de Soleil.

Hérodote nous rapporte en effet que «pendant une bataille entre les Mèdes et les Lydiens, il advint que le jour se transforma en nuit. Cette défaillance du jour avait été prédite aux Ioniens par Thalès de Milet, qui en avait fixé l’époque dans les limites de l’année où effectivement elle eut lieu». C’était en 585 avant notre ère, selon Pline, une date confirmée au XIXe par le calcul de Lord Airy. Pour Thalès, la Lune n’est pas un luminaire, elle n’éclaire pas par elle-même, mais nous renvoie la lumière du Soleil : un mince croissant quand elle est proche de lui, à demi-éclairée quand elle se trouve à 90°, pleine quand elle est à l’opposé.

  •  lumière directe émise par le Soleil 
  •  lumière indirecte renvoyée par la Lune ou par le ciel bleu 
  •  lumière réfléchie par le bouclier d’Achille 
  •  lumière indirecte diffusée par les objets …

Que d’embûches ?

Dans Il Saggiatore -l’Essayeur- Galilée explique pourquoi la Lune est imparfaite«Comme elle est obscure et ne brille que par l’illumination du Soleil, sa surface est nécessairement rugueuse. Si elle était lisse et polie, comme un miroir, aucune lumière réfléchie n’arriverait jusqu’à nous : la Lune serait alors invisible»



Image in commons.vikimedia.org

Pour Platon,;«la lumière consiste en un jet successif rapide de particules… des trainées imperceptibles de tétraèdres». Il tente d’expliquer les couleurs en imaginant des tétraèdres de taille et de vitesse différentes. Newton imaginera des particules de lumière allongées, des bâtonnets, dans sa Théorie des accès, il tentera d’expliquer la couleur des anneaux d’interférences selon l’orientation de ces bâtonnets : un droit de passage selon leur orientation donc selon la couleur.

Aristote est très original. «…la lumière… donne une impulsion au milieu intermédiaire qui se fige instantanément et change d’état ». «Entre la source de lumière et l’œil, le milieu transparent et diaphane subit une tension, un ébranlement. Il réagit instantanément». Thomas Young expliquant les interférences par la nature ondulatoire de la lumière rappellera cette première approche d’Aristote.

Capter la lumière ! …ou la rayonner ! Ce tableau de Philippe de Champaigne représente, selon la tradition homérique, les deux mouvements de la lumière qui convergeraient vers le milieu intermédiaire. Il ajoute même une troisième voie : de l’œil vers le cerveau. Philippe de Champaigne, a gravé le mot Veritas sur le Soleil ; ce fidèle de Port-Royal s’est-il inspiré de Saint Augustin ? «Marchez vers la vérité, pendant que vous avez la lumière»

Ou faut-il remonter à Platon qui dans la République attribue à Socrate l’idée «que l’astronomie élève l’âme vers la vérité immuable», et que «le mouvement circulaire et perpétuel du Soleil nous porte vers la vérité éternelle».

Pour Euclide la lumière va de l’œil vers l’objet ce qui ne l’empêche pas d’étudier la formation des images directes et inverses, réelles et virtuelles, y compris pour les miroirs concaves et convexes. Après tout, le principe de Fermat s’énonce avec «le chemin optique minimum » et « le retour inverse» de la lumière.

Euclide franchit une étape fantastique : «le cône visuel, dit-il, n’est pas continu il n’englobe pas l’objet d’un seul coup, mais c’est un pinceau de rayons rectilignes qui balaie le champ». La notion de rayon lumineux est loin d’être naturelle…la lumière semblait aux Anciens comme un milieu dans lequel baigne le monde.

On sait aujourd’hui que l’œil perçoit les mouvements dans un grand champ, 2 fois 60°, qu’il identifie les formes dans 2 fois 30°. Mais le champ de bonne résolution, le champ de la fovéa est restreint, 40’ d’arc, soit un mot de 6 lettres lors de la lecture ; l’oeil balaye par une suite de saccades de 1/40e de seconde.


Euclide, portait peint par Juste de Gand vers 1474. Image in fr.vikipedia.org


Au IIIe siècle avant notre ère, Archimède fit les premières expériences sur la réfraction : un bâton plongé dans l’eau semble brisé au passage de l’air dans l’eau. Au Ier siècle Cléomède indique un autre moyen d’observer cette réfraction : «on voit un anneau au fond d’un vase plein d’eau… alors que le même anneau était invisible avant que le vase ne fût rempli».

Puis Cléomède décrit un autre phénomène de réfraction, très ténu, beaucoup plus difficile à mettre en évidence : «Les rayons partis de l’œil, qui traversent l’air humide du Pont Euxin, s’infléchissent et arrivent au Soleil au-dessous de l’horizon», 1° sous l’horizon. C’est la réfraction astronomique. Une différence de 0,03% de l’indice réfraction - 1,000 28 pour l’air, 1 pour le vide - entre l’air dense au-dessus du Pont Euxin et les couches atmosphériques supérieures de plus en plus légères, provoque cette courbure progressive du rayon lumineux quand les astres approchent de l‘horizon. Cléomède avait compris que la lumière ne va pas toujours en ligne droite, elle peut suivre une ligne courbe…dans un milieu inhomogène, stratifié.

Au IIe siècle, Ptolémée publiera 3 tables de réfraction entre l’air, l’eau et le verre. Comme les indices optiques de l’air et de l’eau - 1 et 1,33 - sont nettement différents, le changement de direction de la lumière est alors brutal : 10, 20, 30 et même 40°.