La découverte du spectre de la lumière blanche
La lumière blanche : un mélange de couleurs
En 1665, le père Francesco Maria Grimaldi, un Jésuite italien, réalise une expérience toute simple dont le résultat va occuper pendant plusieurs générations des physiciens comme Newton et Einstein.
L'expérience consiste à faire entrer dans une chambre noire de la lumière par une fente et de projeter le rayon lumineux qui en émerge sur un écran blanc ; l'objectif de Grimaldi étant de vérifier si la largeur du faisceau projeté correspond à celle prédite par le tracé géométrique du rayon lumineux.
À sa grande surprise, Grimaldi constate que le rayon lumineux qui s'étale sur l'écran est plus large que prévu. De plus, et c'est ce qu'il trouve le plus bizarre, la lumière blanche apparaît non pas blanche, mais colorée de deux ou trois raies de couleurs différentes.
Sans le savoir, Grimaldi vient de réaliser la première expérience de décomposition de la lumière. Il donne d'ailleurs au phénomène le nom de diffraction, un terme qu'on utilise encore aujourd'hui.
Plus tard, il se rend compte que la diffraction est un phénomène qui ne se produit pas seulement avec une fente, mais à chaque fois que de la lumière touche au rebord d'un objet. Plusieurs scientifiques s'intéressent alors au phénomène mais aucun ne parvient à l'expliquer. Pourtant, la réponse ne tardera pas : elle viendra d'Isaac Newton lui-même.
En 1662, Newton commence à réaliser des expériences d'optique. Un de ses premiers projets est de construire une lunette astronomique. Il polit alors des lentilles et tente d'améliorer l'instrument en se débarrassant des couleurs qui apparaissent sur le bord des images (il n'y parviendra d'ailleurs pas et décidera de se passer de lentilles ; c'est pour cette raison qu'il mettra au point un télescope à miroir).
En 1666, lors de ses expériences d'optique, Newton fait passer de la lumière solaire blanche à travers un prisme de façon à la décomposer en rayons lumineux de différentes couleurs, comme le fait le rebord d'une lentille. D'autres avant lui avaient réalisé le même genre d'expérience, mais Newton est le premier à comprendre que la lumière blanche est faite d'un mélange de rayons de lumière de couleurs différentes.
Il comprend aussi que la lumière blanche se sépare en ses composantes parce que chaque rayon de couleur est dévié de façon différente par le verre du prisme. Ainsi, il constate, par exemple, que la lumière rouge est toujours moins déviée que la lumière violette.
Newton comprend par conséquent que lorsque de la lumière blanche passe d'un milieu transparent (comme de l'air) à un autre (comme du verre), ses composantes sont déviées une première fois selon leur couleur, et lorsque celles-ci émergent dans l'air, elles sont de nouveau déviées, donnant ainsi naissance à un étalement de rayons lumineux allant du rouge au violet, comme les couleurs de l'arc-en-ciel.
On donne à cet étalement ordonné de rayons colorés le nom de « spectre ». Le spectre de la lumière solaire blanche est composé, grosso modo, de six couleurs qui sont, dans l'ordre, le rouge, l'orange, le jaune, le vert, le bleu et le violet.
Si Newton comprend qu'un faisceau de lumière de couleur particulière est toujours dévié de la même façon, il ignore cependant pourquoi il en est ainsi. C'est un autre Britannique, du nom de Thomas Young, qui apportera plus d'un siècle plus tard une partie de la réponse.