Réfraction des particules et des ondes

Un point de vue envisage la lumière comme ayant un phénomène ondulatoire produisant de l’énergie qui traverse l’espace d’une manière semblable aux ondulations qui se propagent à la surface d’un étang calme après qu’on y a lancé un caillou. La position opposée soutient que la lumière est composée d’un flux constant de particules, un peu comme les minuscules gouttelettes d’eau pulvérisées par la buse d’un tuyau d’arrosage. Ce tutoriel interactif explore le comportement des particules et des ondes lorsqu’elles sont réfractées lors de leur traversée d’une surface transparente.

Le tutoriel commence par la rencontre de particules de lumière rouge monochromatique (photons) avec la surface d’un bloc de verre à un angle incident d’environ 30°. Au moment où elles pénètrent le verre, les particules sont réfractées selon la loi de Snell et traversent le milieu selon une trajectoire linéaire. Lorsque les particules (en bas du bloc) rencontrent la deuxième limite verre/air, elles sont à nouveau réfractées et sont renvoyées dans l’espace selon un angle particulier. Le curseur Particle/Wave (Particule/Onde), situé sous le bloc de verre, peut être utilisé pour transformer le faisceau de particules en un front d’onde plan. Avant de devenir une onde, les particules s’alignent en onde.

Christiaan Huygens, même si son intuition s’est avérée correcte dans d’autres domaines, avait suggéré dans son Traité de la lumière de 1690 que les ondes lumineuses se déplaçaient dans l’espace par le biais d’un milieu particulier, l’éther, une substance mystique sans masse, qui existerait telle une entité invisible dans tout l’air et l’espace. La recherche de l’éther a consommé une quantité importante de ressources au cours du XIX^e siècle, avant d’être finalement enterrée une bonne fois pour toutes. La théorie de l’éther a perduré au moins jusqu’à la fin du XIXe siècle, comme en témoigne le modèle proposé par Charles Wheatstone démontrant que l’éther transportait les ondes de lumière en vibrant à un angle perpendiculaire à la direction de la propagation de la lumière, ou encore les modèles détaillés de James Clerk Maxwell décrivant la construction de cette substance invisible. Huygens croyait que l’éther vibrait dans la même direction que la lumière et formait une onde lui-même tout en transportant les ondes de lumière. Dans un volume ultérieur, Le principe de Huygens, il décrit ingénieusement comment chaque point d’une onde peut produire ses propres ondelettes, qui s’additionnent ensuite pour former un front d’onde. Huygens a employé cette idée pour échafauder une théorie détaillée du phénomène de réfraction et aussi pour expliquer pourquoi les rayons de lumière ne se heurtent pas entre eux lorsque leur trajectoire se croise.

Lorsqu’un faisceau de lumière se propage d’un milieu à l’autre et que ces milieux ont des indices de réfraction différents, le faisceau subit une réfraction et change de direction lorsqu’il passe du premier milieu au second. Pour déterminer si le faisceau lumineux est composé d’ondes ou de particules, on peut concevoir un modèle pour chacun d’eux afin d’expliquer le phénomène (figure 1). Selon la théorie des ondes de Huygens, une petite partie de chaque front d’onde incliné par rapport à l’interface devrait rencontrer le second milieu avant que le reste du front n’atteigne l’interface. Cette partie commencera à se propager dans le second milieu tandis que le reste de l’onde est encore en train de traverser le premier milieu, mais se propagera plus lentement en raison de l’indice de réfraction plus élevé du second milieu. Comme le front d’onde se propage maintenant à deux vitesses différentes, il se coude pour entrer dans le second milieu, ce qui modifie l’angle de propagation. En revanche, la théorie des particules parvient mal à expliquer pourquoi les particules de lumière devraient changer de direction lorsqu’elles passent d’un milieu à un autre. Les partisans de cette théorie suggèrent qu’une force spéciale, dirigée perpendiculairement à l’interface, agit pour modifier la vitesse des particules lorsqu’elles entrent dans le second milieu. La nature exacte de cette force reste un objet de spéculation, aucune preuve n’ayant jamais été recueillie pour étayer la théorie.