L'histoire de l'optique est une partie de l'histoire des sciences. Le terme optique vient du grec ancienτα ὀπτικά. C'est à l'origine, la science de tout ce qui est relatif à l'œil. Les Grecs distinguent l'optique de la dioptrique et de la catoptrique. Nous appellerions probablement la première science de la vision, la seconde science des lentilles et la troisième science des miroirs.
Les grands noms de l'optique grecque sont Euclide, Héron d'Alexandrie et Ptolémée.
La connaissance progressive des caractéristiques du spectre lumineux, avec les raies de Fraunhofer, marque la transition d'une optique géométrique, vers une optique en lien avec la matière, l'atome et l'univers
Depuis l'Antiquité, l'optique a connu de nombreux développements. Le sens même du mot a varié et de l'étude de la vision, elle est passée en plusieurs étapes à celui de l'étude de la lumière, avant d'être incorporée récemment dans un corpus plus large de la physique.
Les premiers travaux d'optique pratique visent la mise au point de lentilles et remontent aux anciens Égyptiens et Babyloniens.
C'est au Moyen Âge, dans les sociétés arabo-musulmanes, qu'apparait une nouvelle conception, le rayon lumineux est indépendant de l'œil humain. Le grand savant arabe dans ce domaine est Ibn al-Haytham, plus connu sous le nom d'Alhazen. On a pu le qualifier de «père de l'optique».
Les problèmes relevant de la perception visuelle n'ont été écartés du champ d'étude de l'optique qu'à la fin de la Renaissance, les précurseurs que sont Kepler et Descartes mêlant encore les deux notions.
Durant la Renaissance, le développement de divers instruments d'optique (lunette astronomique, télescope, microscope) est à la base de révolutions scientifiques. Ainsi, la confirmation de la théorie de Copernic par des observations à travers la lunette de Galilée, ou la découverte des animalcules grâce au microscope du Hollandais Antoni van Leeuwenhoek .
Aujourd'hui, l'optique reste au cœur de la physique, avec les questions liées à la physique du rayonnement.
Les anciens Chinois et Indiens avaient aussi étudié l'optique. Mais à la différence des savants grecs et arabes, les connaissances en optique des anciens savants indiens et chinois n'ont que très peu influencé le spectaculaire développement de cette science qui s'est effectué en Europe de la Renaissance au début du XXesiècle.
L'aventure de l'optique, comme d'ailleurs celle des autres sciences, est de nos jours mondialisée (cf. les articles histoire des sciences et techniques en Chine, et history of Indian science and technology(en))
la lentille Nimrud Assyrie - diam 38 mm - vers 750 av. J.-C. - (British museum)défense de Syracuse par Archimède. (Giulio Parigi - Italie vers 1600 )
Les Romains et les Grecs remplissaient des sphères de verre avec de l'eau pour en faire des lentilles (verre ardent) destinées à allumer le feu.
L'usage de prisme devait sans-doute être connu.
L'usage des lunettes pour améliorer la vision ne semble pas avoir été beaucoup pratiqué avant le Moyen Âge.
Les premières théories en matière d'optique apparurent en Grèce.
Euclide, au IIIesiècleav. J.-C. est l'auteur 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 plus douteuse.
Héron d'Alexandrie, au Iersiècle de notre ère, écrit également des Catoptrica.
Au siècle suivant, Ptolémée rédige une Optique[2]. 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[3].
Au sujet de la vision, les anciens étaient partagés en plusieurs camps.
Les «intramissionnistes», tels Épicure pensent que les objets envoient des émanations (simulacres - εἴδωλα) qui parviennent aux yeux de l'observateur. Parmi eux, les atomistes considéraient que ces émanations étaient des atomes ténus.
À l'inverse, les «extramissionnistes» estiment que les yeux projettent un flux qui permet la perception de l'objet par une sorte de contact, à l'instar du toucher.
Pour d'autres savants antiques, sorte de compromis entre ces deux positions extrêmes, la vision résulte d'une interaction entre émanations des objets et flux visuel. C'est déjà l'opinion d'Empédocle au Vesiècleav. J.-C. Pour Ptolémée, par exemple, la vision résulte d'une interaction entre le flux visuel issu des yeux (visus en latin) et les émanations caractérisant 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[4]. 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[5], elle-même issue d'une traduction arabe assez imparfaite et incomplète[6]: 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[7]. Au côté de Ptolémée, c'est-à-dire au nombre de ceux qui tentent une synthèse des deux courants anciens, il faut également ranger le médecin gréco-romain Galien qui fonde son opinion de l'observation anatomique de l'œil. Pour lui le corps émet un flux visuel qui interfère avec l'image de l'objet pour produire la sensation de vision. Ce flux part du nerf optique et se divise en de multiples ramifications à la manière d'un petit filet (retina). La fusion des deux flux s'effectue dans le cristallin.
Période musulmane
Ibn Sahl: loi de la réfraction: avec les triangles rectangles, le rapport des deux hypoténuses est constant.
Les premiers travaux d'importances furent ceux d'Al-Kindi (vers 801–873): dans 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[8].»
Puis Ibn Sahl (vers 940-1000), mathématicien persan à la cour de Bagdad, écrit un traité vers 984 sur les miroirs ardents 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[9]. 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.
Mais, dans ce domaine de l'optique, le plus influent des savants arabes est Ibn al-Haytham, plus connu en Occident sous son surnom d'Alhazen. Il prend pour base les théories antiques, mais parvient à les soumettre à l'arbitrage de la réalité par de nombreuses expériences, souvent très simples mais très ingénieuses, qui lui permettent d'étayer son argumentation. Il conclut en particulier, et pour la première fois sur des bases à peu près bien fondées, qu'il convient de concevoir l'œil comme un récepteur et non un émetteur. Il revient sur le rôle du cristallin, assimile l'œil à une chambre noire, étudie la vision binoculaire,etc. Son œuvre majeure Kitâb fi'l Manazîr (Traité d'optique 1015 - 1021), traduite en latin par Vitellion constitue la base de l'optique occidentale pendant le bas Moyen Âge et la Renaissance.
Entre le VIIIe et le XIesiècle, les Vikings entreprirent de longs voyages sur les mers, alors que peu de choses sont connues sur leurs méthodes de navigation à une époque où la boussole n'avait pas encore été introduite en Europe. L'hypothèse selon laquelle ils auraient pu utiliser une pierre de soleil pour s'orienter en exploitant la polarisation de la lumière du soleil fut formulée à la fin des années 1960 par l'archéologue danois Thorkild Ramskou(da). Malgré l'absence de toute preuve de l'utilisation d'une telle pierre, cette hypothèse fut dans l'ensemble considérée favorablement par la communauté scientifique et souvent relayée dans la presse et les œuvres de fiction. Elle a fait l'objet de nombreuses publications portant sur son évocation dans la littérature, la nature précise de cette «pierre» et les techniques possibles de navigation par polarimétrie.
Réfraction de la lumière par un verre sphérique (Roger Bacon)
Redécouverte des travaux antiques et arabes (Vitellion) - Progrès de l'optique géométrique - naissance de la théorie de la perspective (voir article perspective conique)
Intérêt accru pour la connaissance de l'œil en tant qu'organe de la vision
Dès le XIVesiècle, l'érudit Thierry de Freiberg (†) avait décrit la dispersion de la lumière par un dioptre épais (en l'occurrence des urinaux) et s'était efforcé d'expliquer sur cette base le phénomène de l'arc-en-ciel[10].
Avec le succès de La Magie naturelle (1558) de della Porta, les dioptres en verre devinrent des curiosités qu'on pouvait se procurer lors des foires.
Œuvre fondatrice de Newton, Opticks est publié en 1704.
C'est avec Christian Huygens et surtout Isaac Newton que l'optique connaît des développements théoriques importants: Newton à l'aide de prismes et de lentilles montre que la lumière blanche peut être non seulement dispersée jusqu'à être décomposée en plusieurs lumières de différentes couleurs, mais même recomposée (cercle chromatique de Newton - voir aussi spectre lumineux). Il produit la première théorie solide de la couleur et met également en évidence les phénomènes d'interférence (anneaux de Newton). Ses travaux le conduisent à supposer une nature corpusculaire à la lumière. Vers la même époque, Huygens développe les idées de Descartes et postule au contraire la nature ondulatoire du phénomène (voir principe de Huygens), initiant ainsi l'optique ondulatoire.
En 1672, Newton: «au commencement de 1666, je me procurai un prisme de verre triangulaire pour faire l'expérience du célèbre phénomène des couleurs […] Il me fut agréable de contempler les couleurs vives et intenses ainsi produites»[11]. Newton publia dans son traité intitulé Opticks ses résultats sur la dispersion de la lumière. Il indiqua d'abord comment la lumière blanche peut être décomposée en composantes monochromes avec un prisme; puis il prouva que ce n'est pas le prisme qui émet ou produit les couleurs, mais que ce dioptre ne fait que séparer les constituants de la lumière blanche[12].
En 1603, la fluorescence était déjà connue (
Aux environs de l'an 1000 existait chez l'empereur de Chine, un tableau magique sur lequel un bœuf apparaissait chaque soir. Ce fut le premier exemple, dans l'histoire, d'un matériau fabriqué par l'Homme, capable d'émettre de la lumière luminescente.[réf.nécessaire] Ce procédé fut retrouvé par hasard[13] par le bottier et alchimiste bolonais Vincenzo Cascariolo (1571-1624) en 1603[14])
En 1671, Premier télescope Isaac Newton (la lumière réfléchie par le miroir primaire concave = pas d'aberration due à la lentille).
Le 7 décembre 1676 est publiée[20] une estimation de la vitesse de la lumière exprimée en distance astronomique, calculée à partir des retards et avances de mouvements astronomiques (Ole Christensen Romer)
Au XIXesiècle, Thomas Young à l'aide de ses nouvelles expériences d'interférence et à la suite de la découverte du phénomène de polarisation repose la question de la nature de la lumière. Mis au courant, Augustin Fresnel reprend et perfectionne la théorie de Huyghens, et peut rendre compte de la totalité des phénomènes optiques connus. La théorie de Newton est abandonnée et la lumière est conçue comme une vibration d'un milieu très ténu dans lequel baigne l'espace: l'éther. Les découvertes de Hertz et les illustres travaux de Maxwell permettent vers la fin du siècle d'unifier optique et électricité dans un corpus plus large, celui de l'onde électromagnétique:
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; le phénomène de propagation est décrit par la variation d'un champ de vecteurs.
Première moitié (1801-1850)
Fentes de Young.1803, Young1826, Première photographie
En 1835, Charles Wheatstone identifie le lien entre des métaux et leurs raies claires du spectre d'émission de leurs étincelles, technique alternative au test de flamme des chimistes[28].
En 1862, Kirchhoff imagine le corps noir. médaille Rumford pour l'existence de raies lumineuses fixes dans le spectre du rayonnement solaire (spectre de la «lumière naturelle»), et pour avoir mis en évidence une inversion des raies lumineuses dans la lumière artificielle.
Un interféromètre de Michelson - Type d'appareil utilisé dans l'expérience de Michelson Morley, qui a montré que la vitesse de la lumière en provenance des étoiles ne dépendait pas de la vitesse absolue de la terre dans l'espace - L'interprétation de cette expérience par A. Einstein a donné naissance à la théorie de la relativité.
Le début du XXesiècle voit à nouveau une révolution dans la physique avec l'apparition presque simultanée de deux théories fondamentales: la mécanique quantique et la relativité. L'hypothèse des particules de lumière reprend une partie de son ancien lustre, et la nouvelle théorie admet le caractère à la fois ondulatoire et corpusculaire de la lumière. En revanche, on a moins besoin de l'éther dont l'existence est abandonnée. L'optique quantique, dont le laser est probablement la plus éminente application, voit le jour.
En 1939, l'analyse du groupe de Poincaré effectuée par Wigner montra en effet qu'une particule est associée à un champ quantique, opérateur qui se transforme comme une représentation irréductible du groupe de Poincaré. Ces représentations irréductibles se classent par deux nombres réels positifs: la masse et le spin.
En 1964, Charles Kao, des Standard Telecommunications Laboratories, décrit le système de communication à longue distance et à faible perte par laser et fibre optique.
En 1966, Georges Hockman, transmission d'information sur une grande distance sous forme de lumière grâce à la fibre optique. (première transmission de données par fibre optique). (rudimentaire par perte de phase)
En 1970, Corning Glass Works de New York, Robert Maurer, Peter Schultz et Donald Keck, première fibre optique utilisable dans les réseaux de communication (vingt décibels par kilomètre) pour transporter 65 000 fois plus d'information qu'un simple câble de cuivre.
En 1977, premier système de communication téléphonique optique installé au centre-ville de Chicago.
En 1978, avec un laser la vitesse de la lumière est connue plus précisément que le mètre (mètre de 1960)[51]. La vitesse de la lumière est maintenant connue avec une meilleure précision que l’ancien mètre étalon.
En 1982, application de la Génération de seconde harmonique comme technique spectroscopique pour les molecular monolayers adsorbed to surfaces par T. F. Heinz et Y. R. Shen[52]
En octobre 2011, généralisation des lois de la réflexion et de la réfraction[55]. (Modification de l'interface séparant les deux milieux de façon à introduire un déphasage sur le faisceau lumineux qui ne soit plus uniforme mais qui dépend de l'espace)
En 2013 on découvre que certaines longueurs d'onde (au sein de la lumière que nous percevons comme bleue) endommagent certaines cellules pigmentaires du fond de l'œil humain.[réf.nécessaire]
Albert Lejeune, L' Optique de Claude Ptolémée, dans la version latine d'après l'arabe de l'émir Eugène de Sicile., édition critique et exégétique augmentée d'une traduction française et de compléments, Louvain, Bibl. universitaire, 1956, 2eéd.: Brill (Leiden, New York), 1989. Voir les p.9-20 et 132-135.
A. C. Crombie, Histoire de la science de Saint Augustin à Galilée, Paris, PUF, , cité par Bernard Maitte, La lumière, Paris, Éditions du Seuil, coll.«Points science», , 340p. (ISBN2-02-006034-5), «La lumière de l'Antiquité à la Renaissance», p.35-36
Il pensait avoir trouvé le secret de la fabrication de la Pierre philosophale en faisant chauffer de la baryte (ou sulfate de baryum: BaSO4), minéral dont il avait découvert des échantillons en fouillant au pied du mont Paderno, près de Bologne. Sa Pierre de Bologne eut un grand succès dans toute l'Europe.
Épisode peu connu mais parfois cité dans des manuels traitant de l'histoire de la chimie ou de la physique: par, exemple, le [gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k79012k/f221.image.r=vincenzo%20cascariolo.langFR Cours de physique de l'École polytechnique] de Jules Jamin, Tome 3, Fascicule 3, page 220, Paris (nombreuses édition et rééditions).
Robert Hooke, Micrographia: or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon…, (digital.library.wisc.edu/1711.dl/HistSciTech.HookeMicro ')
Brian Bowers, Sir Charles Wheatstone FRS: 1802-1875, IET, (réimpr.2nd), 235p. (ISBN978-0-85296-103-2, books.google.com/books?id=m65tKWiI-MkC&pg=PA208&dq=Wheatstone+spectrum+analysis+metals&lr=&as_brr=3&ei=yqN3StmSN5qGkgTRrpScAQ#v=onepage&q=Wheatstone%20spectrum%20analysis%20metals&f=false), p.207–208
article Sur la lumière colorée des étoiles doubles et de quelques autres astres du ciel[books.google.fr/books?id=C5E5AAAAcAAJ&pg=PA1165&dq=%22Sur+la+lumi%C3%A8re+color%C3%A9e+des+%C3%A9toiles+doubles%22&hl=fr&ei=U6XLTYO7IMeZ8QPgqo2hBA&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=5&ved=0CEcQ6AEwBA#v=onepage&q=%22Sur%20la%20lumi%C3%A8re%20color%C3%A9e%20des%20%C3%A9toiles%20doubles%22&f=false Sur la lumière colorée des étoiles doubles] (Über das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels),
Léon Brillouin (1922) Diffusion de la lumière et des rayons X par un corps transparent homogène. Influence de l'agitation thermique. Ann. de Phys. (Paris)17, 88-122
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Heinz, T. F. et al., Spectroscopy of Molecular Monolayers by Resonant 2nd-Harmonic Generation, Physical Review Letters 48.7 (1982): 478-81, DOI10.1103/PhysRevLett.48.478
T. F. Krauss, R. M. DeLaRue, S. Brand, «Two-dimensional photonic-bandgap structures operating at near-infrared wavelengths», Nature, vol.383, no6602, , p.699–702 (DOI10.1038/383699a0)