Fresnel (Arago)/3

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Œuvres complètes de François Arago, secrétaire perpétuel de l’académie des sciences1 (p. 121-130).
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RÉFRACTION.


Les travaux de Fresnel sont presque tous relatifs à l’optique. Afin d’éviter des répétitions fatigantes, je les classerai, sans égard pour l’ordre des dates, de manière à réunir dans un seul groupe tous ceux qui se rapportent à des questions analogues. Les phénomènes de la réfraction m’occuperont les premiers.

Un bâton dont une partie plonge dans l’eau paraît brisé ; les rayons qui nous font voir la portion immergée doivent donc avoir changé de route, ou s’être brisés eux-mêmes, en passant de l’eau dans l’air. Naguère on réduisait à cette remarque les connaissances des anciens sur le phénomène de la réfraction. Mais en exhumant de la poussière des bibliothèques où tant de trésors sont encore enfouis, un manuscrit de l’Optique de Ptolémée, on a trouvé que l’école d’Alexandrie ne s’était pas bornée à constater le fait de la réfraction, car cet ouvrage renferme, pour toutes les incidences, des déterminations numériques passablement exactes de la déviation des rayons, soit quand ils passent de l’air dans l’eau ou dans le verre, soit lorsqu’ils n’entrent dans le verre qu’en sortant de l’eau.

Quant à la loi mathématique de ces déviations, que l’Arabe Alhasen, que le Polonais Vitellio, que Képler, et d’autres physiciens avaient inutilement cherchée, c’est à Descartes qu’on la doit. Je dis Descartes, et Descartes seulement, car si les réclamations tardives d’Huygens en faveur de son compatriote Snellius étaient accueillies, il faudrait renoncer à jamais écrire l’histoire des sciences.

Une loi mathématique a plus d’importance qu’une découverte ordinaire, car elle est elle-même une source de découvertes. De simples transformations analytiques signalent alors aux observateurs une foule de résultats plus ou moins cachés, dont ils se seraient difficilement avisés ; mais ces résultats ne peuvent être accueillis sans réserve, tant que la vérité de la loi primordiale repose uniquement sur des mesures. Il importe pour la science, qu’en remontant aux principes de la matière, cette loi reçoive le caractère de rigueur que les expériences les plus précises ne sauraient lui donner.

Descartes essaya donc d’établir sa loi de la réfraction par des considérations purement mathématiques ; peut-être même est-ce ainsi qu’il la trouva ? Fermat combattit la démonstration de son rival, la remplaça par une méthode plus rigoureuse, mais qui avait le grave inconvénient de s’appuyer sur un principe métaphysique dont rien ne montrait la nécessité. Huygens arriva au résultat, en partant des idées qu’il avait adoptées sur la nature de la lumière ; Newton enfin, car cette loi a occupé les plus grands géomètres du XVIIe siècle, la déduisit du principe de l’attraction.

La question était parvenue à ce terme, lorsqu’un voyageur revenant de l’Islande apporta à Copenhague de beaux cristaux qu’il avait recueillis dans la baie de Roërford. Leur grande épaisseur, leur remarquable diaphanéité, les rendait très-propres à des expériences de réfraction. Bartholin, à qui on les avait remis, s’empressa de les soumettre à divers essais ; mais quel ne fut pas son étonnement, lorsqu’il aperçut que la lumière s’y partageait en deux faisceaux distincts, d’intensités précisément égales, lorsqu’il eut reconnu, en un mot, qu’à travers ces cristaux d’Islande, qu’on a trouvés depuis dans une multitude de localités, car ils ne sont que du carbonate de chaux, tous les objets se voient doubles. La théorie de la réfraction tant de fois remaniée, avait donc besoin d’un nouvel examen ; tout au moins elle était incomplète, puisqu’elle ne parlait que d’un rayon et qu’on en voyait deux. D’ailleurs, le sens et la valeur de l’écartement de ces deux rayons changeaient en apparence de la manière la plus capricieuse, quand on passait d’une face de cristal à l’autre, ou lorsque sur une face donnée la direction du rayon incident variait. Huygens surmonta toutes ces difficultés ; une loi générale se trouva comprendre dans son énoncé les moindres détails du phénomène ; mais cette loi, malgré sa simplicité, malgré son élégance, fut méconnue. Les hypothèses avaient été pendant tant de siècles des guides inutiles ou infidèles ; on les avait si longtemps considérées comme toute la physique, qu’à l’époque dont je parle, les expérimentateurs en étaient venus sur ce point à une sorte de réaction ; or dans les réactions, même en matière de science, il est rare qu’on garde un juste milieu. Huygens donne sa loi comme le fruit d’une hypothèse, on la rejette sans examen ; les mesures dont il l’étaie ne rachètent pas tout ce qu’on trouve de vicieux dans son origine. Newton lui-même se range parmi les opposants, et, dès ce moment, les progrès de l’optique sont arrêtés pour plus d’un siècle. Depuis, il n’a fallu rien moins que les nombreuses expériences de deux membres les plus célèbres de cette Académie, MM. Wollaston et Malus, pour replacer la loi d’Huygens au rang qui lui appartient.

Pendant les longs débats des physiciens sur la loi mathématique d’après laquelle la double réfraction s’opère dans le cristal d’Islande, l’existence du second faisceau étant généralement considérée comme une anomalie qui n’atteignait que la moitié de la lumière incidente ; l’autre moitié, au moins, disait-on, obéit à l’ancienne loi de la réfraction donnée par Descartes ; le carbonate de chaux, en tant que cristal jouit ainsi de certaines propriétés particulières, mais sans avoir perdu celles dont tous les corps diaphanes ordinaires sont doués. Tout cela était exact dans le cristal d’Islande ; tout cela paraissait sans trop de hardiesse pouvoir être généralisé. Eh ! bien, on se trompait. Il existe des cristaux où le principe de la réfraction ordinaire ne se vérifie pas, où les deux faisceaux en lesquels la lumière incidente se partage, éprouvent l’un et l’autre des réfractions anomales, où la lui de Descartes ne ferait connaître la route d’aucun rayon !

Lorsque Fresnel publia pour la première fois ce fait inattendu, il ne l’avait encore vérifié qu’à l’aide d’une méthode indirecte, remarquable par l’étrange circonstance que la réfraction des rayons se déduit d’expériences dans lesquelles aucune réfraction ne s’est opérée. Aussi notre confrère trouva-t-il plus d’un incrédule. La singularité de la découverte commandait peut-être quelque réserve ; peut-être aussi, aux yeux de diverses personnes, avait-elle, comme l’ancienne loi d’Huygens, le tort d’être le fruit d’une hypothèse ! Quoi qu’il en soit, Fresnel aborda la difficulté de front. En montrant dans un parallélipipède de topaze formé de deux prismes de même angle adossés, qu’aucun rayon ne passait entre deux faces opposées et parallèles sans être dévié, il rendit toute objection inutile.

Les physiciens, je pourrais citer ici les noms les plus célèbres, qui avaient cherché à renfermer dans une seule règle tous les cas possibles de la double réfraction, s’étaient donc trompés, car ils admettaient unanimement, et comme un fait dont on ne pouvait douter, que pour la moitié de la lumière, que pour les rayons qu’ils appelaient ordinaires, les déviations devaient être les mêmes à égalité d’incidence, dans quelque sens qu’on eût coupé le cristal. La vraie loi de ces phénomènes compliqués, loi qui renferme comme cas particuliers les lois de Descartes et d’Huygens est due à Fresnel. Cette découverte exigeait au plus haut degré la réunion du talent des expériences et de l’esprit d’invention.

Je viens de l’avouer, les phénomènes de la double réfraction récemment analysés par Fresnel et les lois qui les enchaînent, ne sont pas exempts d’une certaine complication. ’est là un sujet de regrets, je dirai presque de lamentations chez quelques esprits paresseux qui réduiraient volontiers chaque science à ces notions superficielles dont on peut, sans effort, se rendre maître en quelques heures de travail. Mais ne voit-on pas que, avec ces idées, les sciences ne feraient aucun progrès ; que négliger tel phénomène, parce que notre faible intelligence trouverait quelque peine à le saisir, ce serait manquer à son mandat, que souvent on passerait ainsi à côté des plus importantes découvertes ?

L’astronomie aussi, bornée à la connaissance des constellations et à quelques remarques insignifiantes sur les levers et les couchers des étoiles, était à la portée de tous les esprits ; mais alors pouvait-on l’appeler une science ? Lorsqu’à la suite du travail le plus colossal qu’aucun homme ait jamais exécuté, Képler substitua des mouvements elliptiques non uniformes aux mouvements circulaires et réguliers qui, d’après les anciens, devaient régir les planètes, ses contemporains eurent le droit de crier à la complication. Eh ! bien, peu de temps après, dans les mains de Newton, ces mouvements compliqués en apparence, furent la base de la plus grande découverte des temps modernes, d’un principe tout aussi simple qu’il est fécond ; ils servirent à prouver que chaque planète est maîtrisée dans sa course elliptique par une force unique, par une attraction émanée du soleil.

Les observateurs qui, à leur tour, renchérissant sur Képler, montrèrent qu’il ne suffit pas des mouvements elliptiques pour représenter les vrais déplacements des planètes, ne simplifièrent pas la science ; mais, outre que les dérangements connus sous le nom de perturbations n’en auraient pas moins existé, si, en haine de toute complication, on s’était obstiné à ne les point voir, je dois dire qu’en les étudiant avec soin, on a été conduit, entre tant d’autres importants résultats, au moyen de comparer les masses des divers astres dont notre système solaire se compose, et que si nous savons aujourd’hui, par exemple, qu’il ne faudrait pas moins de trois cent cinquante mille globes terrestres pour former un poids égal à celui du soleil, on le doit à l’observation de très-petites inégalités qu’auraient certainement négligées ceux qui, à tout prix, ne veulent que des phénomènes simples.

Sans pousser plus loin ces remarques, je pourrai donc avouer que l’optique était plus facile, plus à la portée du commun des hommes, plus susceptible de démonstration dans les cours publics, avant tous les progrès qu’elle a faits de nos jours. Mais ces progrès sont une richesse réelle ; ils ont donné lieu aux plus curieuses applications ; ils signalent déjà dans diverses théories de la lumière des impossibilités qui doivent prendre rang parmi les découvertes, car dans la recherche des causes, nous sommes souvent réduits à procéder par voie d’exclusion ; sous ce rapport, il n’y a jamais d’expérience inutile ; on ne saurait trop les multiplier. Un homme d’un esprit universel qui prenait souvent plaisir à cacher le sens le plus profond sous des formes burlesques, Voltaire, comparait toute théorie à une souris : « elle passe, disait-il dans neuf trous, mais elle est arrêtée par le dixième. » C’est en multipliant indéfiniment le nombre de ces trous, ou pour parler d’une manière moins triviale, le nombre des épreuves auxquelles une théorie doit satisfaire, que l’astronomie s’est placée au rang qu’elle occupe dans l’estime des hommes, qu’elle est devenue la première des sciences.

C’est en suivant la même marche qu’on pourra aussi donner à diverses branches de la physique le caractère d’évidence dont elles manquent encore à quelques égards.

Dans chaque science d’observation, il faut distinguer les faits, les lois qui les lient entre eux, et les causes. Souvent les difficultés du sujet arrêtent les expérimentateurs après le premier pas ; presque jamais ils ne franchissent le troisième. Les progrès que Fresnel avait faits sous les deux premiers rapports, dans l’étude de la double réfraction, devaient naturellement le conduire à rechercher d’où pouvait dépendre un si singulier phénomène ; or, là encore il a obtenu d’éclatants succès. Mais, pressé par le temps, je pourrai seulement faire connaître le plus saillant de ses résultats.

Lorsque Huygens publia son Traité de la lumière, on connaissait seulement deux gemmes doués de la double réfraction, le carbonate de chaux et le quartz. Aujourd’hui, il serait beaucoup plus court de dire quels cristaux n’ont pas cette propriété, que de nommer ceux qui la possèdent. Anciennement, il fallait qu’un corps diaphane eût présenté distinctement la double image pour qu’on pût se permettre de l’assimiler au cristal d’Islande. Toutes les fois que l’écartement de deux faisceaux était très-petit, échappait à l’œil, l’observateur restait dans le doute, il n’osait prononcer. Maintenant, à l’aide de la méthode très-simple qu’un membre de cette Académie a signalée, l’existence de la double réfraction se manifeste, par des caractères tout à fait indépendants, de la séparation des deux images ; aucune substance, quelque mince qu’elle puisse être, douée de cette propriété, ne saurait échapper au nouveau moyen d’investigation ; mais s’il était certain que la double réfraction ne peut exister sans qu’on aperçoive les phénomènes très-apparents sur lesquels la méthode se fonde, il ne paraissait pas aussi incontestable qu’elle dût nécessairement les accompagner. Le doute, à cet égard, semblait d’autant plus naturel que l’auteur de la méthode avait trouvé lui-même des plaques de verre qui, sans séparer les images d’une manière perceptible, donnaient cependant naissance a tous les phénomènes en question ; qu’un savant distingué de Berlin, M. Seebeck, prouva plus tard que tout verre brusquement refroidi jouit des mêmes propriétés ; qu’enfin, un très-habile physicien d’Édimbourg les faisait naître en comprimant des masses de verre avec force dans certains sens. Montrer qu’une plaque de verre ordinaire, ainsi modifiée par refroidissement ou par compression, sépare toujours la lumière en deux faisceaux, rendre cette séparation incontestable, tel est le problème important que se proposa Fresnel, et qu’il résolut avec son bonheur accoutumé.

En plaçant sur une même ligne et dans une monture en fer portant de fortes vis ingénieusement disposées, quelques prismes de verre que ces vis soumettaient à de très-fortes pressions, Fresnel fit naître une double réfraction manifeste. Sous les rapports optiques, cet assemblage de pièces de verre ordinaire était donc un véritable cristal d’Islande ; mais ici la séparation des images et toutes les autres propriétés qui en découlent résultaient exclusivement de l’action des vis de pression. Or, cette action, analysée avec soin, ne devait produire qu’un seul effet : le rapprochement des molécules du verre dans le sens suivant lequel elle s’exerçait, tandis que dans la direction perpendiculaire ces molécules conservaient leurs distances primitives. Pouvait-on douter, après cette remarquable expérience qu’une disposition moléculaire analogue, produite dans l’acte de la cristallisation, ne fût aussi en général cause de la double réfraction du carbonate de chaux et du quartz et de tous les minéraux de même espèce ? Si l’on considère avec attention les ingénieux appareils à l’aide desquels Fresnel, en donnant ainsi artificiellement la double réfraction au verre ordinaire, a fait faire un si grand pas à la science, on est frappé de tout ce que l’esprit d’invention emprunte de secours, soit à la connaissance des arts, soit à cette dextérité manuelle qu’avait si bien caractérisée Franklin, quand il demandait aux physiciens de savoir scier avec une lime et limer avec une scie.

Le défaut de temps ne me permettra pas de citer ici divers autres travaux de notre confrère également relatifs à la réfraction de la lumière et dont je suis certain de ne pas exagérer l’importance en disant qu’ils suffiraient à la réputation de plusieurs physiciens du premier ordre. Je me hâte donc de passer à une théorie de l’optique non moins intéressante et toute moderne, à celle qu’on a désignée par le nom de théorie des interférences. Elle me fournira de nouvelles occasions de faire ressortir l’étonnante perspicacité de Fresnel et les intarissables ressources de son esprit inventif.