Cachez cette tache que nous ne saurions voir

L’histoire de la physique est très intéressante et instructive, remplie d’anecdotes amusantes. Les scientifiques donnent leur nom à des lois, des théorèmes, voire des unités, parfois de façon non méritée, parfois également de manière involontaire.

Nous sommes en France au début du XIX^e siècle. Depuis plusieurs décennies, la vision du monde qui y domine – en partie sous l’influence de Voltaire – est newtonienne. La physique de Newton marche bien, elle a « fait ses preuves » comme le pensent la majorité des savants de l’époque : Laplace, Biot, Poisson, mais aussi Ampère et Arago… La lumière est constituée de particules se propageant en ligne droite. Ainsi normalement, l’ombre projetée par un objet éclairé doit avoir des bords bien nets. Ce n’est généralement pas le cas car les sources de lumière (le Soleil par exemple) sont étendues et les bords présentent donc un dégradé, une pénombre. Ceci dit, pour une source lumineuse ponctuelle, les bords de l’ombre doivent être nets. Malheureusement, lorsqu’on illumine un petit objet avec une source ponctuelle, on observe autour de son ombre des franges sombres et claires. Les newtoniens expliquent ce phénomène par une interaction des particules de lumière et la matière du bord de l’objet éclairé. Ainsi dans cette théorie les franges qui apparaissent sur l’écran de projection se forment au niveau de l’objet, et leur position sur l’écran doit dépendre linéairement de la distance de l’objet. Telle est la situation de l’époque.
Le jeune Augustin Fresnel va réaliser quelques expériences précises et mettre en défaut cette idée. Il observe en particulier des franges à l’intérieur de l’ombre et constate que lorsqu’on éloigne l’écran les franges ne suivent pas des lignes droites mais des hyperboles. Il interprète donc ces franges comme des interférences entre des ondes (similaires à celles déjà connues pour le son ou encore les « ronds » dans l’eau). Fort de ces observations, il développe donc une théorie ondulatoire de la lumière, inspirées des idées du Néerlandais Huygens⁽¹⁾. Ses travaux convainquent Ampère. Mais il soulève un tollé à l’Académie auprès de Laplace et ses condisciples.
En 1818, Fresnel, soutenu par Ampère, protégé par Arago, défend une thèse sur le sujet pour obtenir le prix de l’Académie. Poisson, proche de Laplace et newtonien convaincu, trouve une objection a priori dévastatrice pour Fresnel : si on croit sa théorie, les calculs montrent qu’un point lumineux doit apparaître au milieu de l’ombre d’un disque convenablement éclairé. Ce qui manifestement est absurde, inimaginable pour les laplaciens. S’en suit une discussion houleuse au terme de laquelle François Arago décide de mener l’expérience.

Et tous virent l’impossible se produire.

Fresnel obtint le prix à l'unanimité. Et le nom de la tache lumineuse impossible pris le nom de tache de Poisson.


⁽¹⁾ L’observation des franges et l’idée selon laquelle la lumière est un phénomène ondulatoire ne sont pas neuves. En 1665 Grimaldi observa de telles franges et baptisa le phénomène « diffraction » (Newton fit de similaires expériences mais ne semblent pas rapporter l’existence de ces franges). Si Newton publia son Optiks en 1704, en 1678 Huygens avait sorti son Traité de la lumière, dans lequel la lumière est considérée comme une sorte d’onde. En 1801, l’anglais Thomas Young développa également une théorie ondulatoire expliquant les interférences lumineuses mais il sera vivement combattu en Angleterre.