Comportement de la lumière, entre particule et onde
Cela nous entoure en permanence, a permis la vie sur Terre, régule notre environnement… mais on ne
comprend pas réellement ce que c’est : la lumière.
Dès le XVIIème siècle, deux théories opposées s’affrontent : Newton imagine la lumière comme un flux de
particules, tandis que Huygens la conçoit comme une onde. Plus tard, au XIXème siècle, des expériences
comme celles de Young et Fresnel semblent trancher en faveur des ondes : en faisant passer la lumière par
des fentes ou des obstacles minuscules, elles produisent des motifs d’interférences similaires à ceux d’ondes
à la surface de l’eau. Cependant, au début du XXème siècle, d’autres observations comme l’effet
photoélectrique révèlent un comportement corpusculaire de la lumière, relançant le débat. Ainsi dans quelle
mesure ces comportements contradictoires de la lumière ont-ils posé les fondations de la physique
quantique ? Nous verrons d’abord, à travers une expérience simple, comment la lumière se comporte comme
une onde. Ensuite, nous expliquerons en quoi l’effet photoélectrique démontre son aspect particulaire,
conduisant au concept de dualité onde-particule. Enfin, nous montrerons comment cette contradiction
apparente a révolutionné la science en donnant naissance à la physique quantique, avec ses retombées
jusqu’à nos technologies modernes.
I. Expérience : interférences lumineuses avec une double fente (expérience de Young)
Pour illustrer le comportement ondulatoire de la lumière, nous avons reproduit une version simplifiée de
l’expérience de Young. Le protocole est le suivant : dans une pièce sombre, un pointeur laser est orienté vers
un mur blanc situé à environ 2 mètres. Entre le laser et l’écran, nous avons placé un obstacle percé de deux
fentes très fines, parallèles et très rapprochées d’environ 0,3 mm de séparation. On a observé sur le mur qu’au
lieu de deux taches lumineuses correspondant aux deux fentes, on observe une frange centrale brillante,
entourée de bandes alternées sombres et claires, symétriques. Ces franges d’interférence, réparties
régulièrement de part et d’autre du centre, s’élargissent légèrement avec la distance. Nous avons mesuré
l’interfrange (distance entre deux franges brillantes consécutives) et la distance entre les fentes et l’écran pour
pouvoir estimer la longueur d’onde de la lumière à l’aide de la formule λ=i⋅aD\lambda, où i est l’interfrange, a
l’écartement des fentes, et D la distance à l’écran. À 2 m de distance, les franges apparaissent espacées de
quelques millimètres, ce qui est cohérent avec la longueur d’onde du laser utilisé, ce système fonctionne donc
avec la formule.
Analyse des résultats : nature ondulatoire de la lumière
Le résultat obtenu est une preuve claire du caractère ondulatoire de la lumière. Si elle se comportait
uniquement comme un flux de particules, on observerait d’une part simplement deux bandes lumineuses
indépendantes à la sortie des fentes et d’autre part les mesures ne seraient pas cohérentes avec la formule.
Or, la lumière passe par les deux fentes simultanément, et les ondes lumineuses issues de chaque fente se
superposent : elles s’additionnent (interférence constructive) ou s’annulent (interférence destructive) selon
leur phase, formant ainsi le motif d’interférences observé. Cette expérience, mise en évidence pour la
première fois en 1801 par Thomas Young, a été décisive dans l’abandon de la théorie purement corpusculaire
de Newton. Elle fut confirmée et perfectionnée par les travaux de Fresnel, puis soutenue théoriquement par
Maxwell, qui montre que la lumière est une onde électromagnétique. Le comportement observé ici, alternance
régulière de zones lumineuses et sombres, n’est explicable que si la lumière est une onde, capable d’interférer
avec elle-même. Cette expérience constitue l’une des démonstrations historiques les plus élégantes du
modèle ondulatoire de la lumière, largement accepté à la fin du XIXème siècle.
Cela nous entoure en permanence, a permis la vie sur Terre, régule notre environnement… mais on ne
comprend pas réellement ce que c’est : la lumière.
Dès le XVIIème siècle, deux théories opposées s’affrontent : Newton imagine la lumière comme un flux de
particules, tandis que Huygens la conçoit comme une onde. Plus tard, au XIXème siècle, des expériences
comme celles de Young et Fresnel semblent trancher en faveur des ondes : en faisant passer la lumière par
des fentes ou des obstacles minuscules, elles produisent des motifs d’interférences similaires à ceux d’ondes
à la surface de l’eau. Cependant, au début du XXème siècle, d’autres observations comme l’effet
photoélectrique révèlent un comportement corpusculaire de la lumière, relançant le débat. Ainsi dans quelle
mesure ces comportements contradictoires de la lumière ont-ils posé les fondations de la physique
quantique ? Nous verrons d’abord, à travers une expérience simple, comment la lumière se comporte comme
une onde. Ensuite, nous expliquerons en quoi l’effet photoélectrique démontre son aspect particulaire,
conduisant au concept de dualité onde-particule. Enfin, nous montrerons comment cette contradiction
apparente a révolutionné la science en donnant naissance à la physique quantique, avec ses retombées
jusqu’à nos technologies modernes.
I. Expérience : interférences lumineuses avec une double fente (expérience de Young)
Pour illustrer le comportement ondulatoire de la lumière, nous avons reproduit une version simplifiée de
l’expérience de Young. Le protocole est le suivant : dans une pièce sombre, un pointeur laser est orienté vers
un mur blanc situé à environ 2 mètres. Entre le laser et l’écran, nous avons placé un obstacle percé de deux
fentes très fines, parallèles et très rapprochées d’environ 0,3 mm de séparation. On a observé sur le mur qu’au
lieu de deux taches lumineuses correspondant aux deux fentes, on observe une frange centrale brillante,
entourée de bandes alternées sombres et claires, symétriques. Ces franges d’interférence, réparties
régulièrement de part et d’autre du centre, s’élargissent légèrement avec la distance. Nous avons mesuré
l’interfrange (distance entre deux franges brillantes consécutives) et la distance entre les fentes et l’écran pour
pouvoir estimer la longueur d’onde de la lumière à l’aide de la formule λ=i⋅aD\lambda, où i est l’interfrange, a
l’écartement des fentes, et D la distance à l’écran. À 2 m de distance, les franges apparaissent espacées de
quelques millimètres, ce qui est cohérent avec la longueur d’onde du laser utilisé, ce système fonctionne donc
avec la formule.
Analyse des résultats : nature ondulatoire de la lumière
Le résultat obtenu est une preuve claire du caractère ondulatoire de la lumière. Si elle se comportait
uniquement comme un flux de particules, on observerait d’une part simplement deux bandes lumineuses
indépendantes à la sortie des fentes et d’autre part les mesures ne seraient pas cohérentes avec la formule.
Or, la lumière passe par les deux fentes simultanément, et les ondes lumineuses issues de chaque fente se
superposent : elles s’additionnent (interférence constructive) ou s’annulent (interférence destructive) selon
leur phase, formant ainsi le motif d’interférences observé. Cette expérience, mise en évidence pour la
première fois en 1801 par Thomas Young, a été décisive dans l’abandon de la théorie purement corpusculaire
de Newton. Elle fut confirmée et perfectionnée par les travaux de Fresnel, puis soutenue théoriquement par
Maxwell, qui montre que la lumière est une onde électromagnétique. Le comportement observé ici, alternance
régulière de zones lumineuses et sombres, n’est explicable que si la lumière est une onde, capable d’interférer
avec elle-même. Cette expérience constitue l’une des démonstrations historiques les plus élégantes du
modèle ondulatoire de la lumière, largement accepté à la fin du XIXème siècle.
