mise à jour le 8
Février 2006
CONFÉRENCE
"ARC EN CIEL ET COULEURS"
Par MICHEL
BLAY
Dr de recherche au CNRS, Directeur des Archives
de l'Histoire et de la Philosophie des Sciences.
Organisée par l'IAP
98 bis Av Arago,
Paris 14 ème
le mardi 7 Février 2006
Photos : JPM pour
l'ambiance, transparents de MB tirés de son excellent livre "les couleurs
du Ciel" chez Belin
BREF COMPTE RENDU
Michel Blay est historien des sciences
et nous parle ce soir devant un nombreux public, de l'arc en ciel et de la
notion de couleurs au cours des siècles.
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DANS LE PASSÉ LOINTAIN
L'arc en ciel est un phénomène qui
combine Soleil, bruine , angle de vision correct et qui a été analysé très tôt
par nos glorieux anciens comme Aristote dans ses "Météorologiques".
Mais pour les Anciens, la vue sortait des yeux et allait vers l'objet vu, ici
les nuages par exemple.
De même pour eux, les couleurs
correspondaient à un affaiblissement de la lumière.
L'idée que c'est la lumière qui entre
dans l'œil et qui provoque une sensation de vue, vient de Mésopotamie vers l'an
1000 notamment avec Alhazen. On trouve les premières dissections d'yeux dans
les manuels arabes de cette époque.
QU'EST CE QUE LA LUMIÈRE?
Les premières théories apparaissent
vers 1300 avec Dietrich de Freiberg.
Son idée est d'utiliser un globe en
verre rempli d'eau pour simuler une goutte d'eau.
Voici les dessins présentés par M Blay
du manuscrit de D de Freiberg expliquant les différents trajets des rayons
lumineux issus du Soleil qui traversent la goutte se réfléchissent sur la face
opposée puis ressortent vers l'œil.
Il montre aussi que si les rayons
subissent deux réflexions avant de ressortir cela produit le deuxième arc
observé.
Il comprend donc parfaitement le
mécanisme de formation de (des) arcs, par contre il n'explique pas la
production des couleurs.
On pense toujours que les couleurs sont
produites par un affaiblissement de la lumière : le bleu est la plus affaiblie
et le rouge la moins.
Il ne se passera pas grand chose avant
le milieu du XVIème siècle.
ET DESCARTES VINT!
C'est Descartes le vrai initiateur de
l'optique.
C'est lui qui explique tout, voir par
exemple son dessin "de la goutte d'eau à la genèse de l'arc" de 1637.
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Cette explication tirée du Discours
des Météores (les météores signifiaient à l'époque tout phénomène situé entre
la Terre et la Lune) fait suite au Discours de la Méthode pour lequel il est
très connu. Il assimile la lumière à des
mouvements de boules de matière remplissant tout l'espace, ces boule peuvent
tourner sur elles mêmes et changer de vitesse au moment du passage d'un
milieu à un autre. Les boules se propagent et arrivent
jusqu'à l'œil , c'est l'amorce de la théorie ondulatoire de la lumière
pourrait-on dire. Il effectué aussi une expérience avec
un prisme que l'on voit sur la figure suivante. |
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Les "boules" touchent le
prisme dont la face opposée est masquée par une petite ouverture, et sont
affectées alors d'un mouvement de rotation, les différentes couleurs
proviennent du fait que certaines boules tournent plus ou moins vite. Les différentes couleurs seraient le
fait que les rayons correspondants effectuent des trajets différents dans le
prisme |
Il applique ses théories des boules à
l'Arc en ciel et met en place le concept de rayon efficace.
On voit ici un tableau original de
Descartes dans lequel il notait les angles d'incidence sur une goutte d'eau et
le résultat sur les rayons sortants.
Il étudie donc toutes les trajectoires
possibles des rayons lumineux et met en évidence la fait principal de l'arc en
ciel, il existe un MAXIMUM ou une DIRECTION PRIVILÉGIÉE
qui donne naissance à ce phénomène.
L'angle se situe aux alentours de 41°
comme on le voit sur le tableau. (angle ONP).
De la même façon il trouve l'angle du
deuxième arc et explique la bande sombre d'Alexandre.
NEWTON, LE PATRON ARRIVE!
C'est Isaac Newton, le génie du XVIIème
siècle, qui établit la théorie classique définitive et introduit la notion de
calcul des couleurs.
Il commence très tôt en 1665. il écrit
son mémoire sur l'Optique en 1666, il est pour la notion corpusculaire de la
lumière.
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Michel Blay nous montre cet extraordinaire
document écrit de la main de Newton. |
Ce feuillet est extrait des premiers
carnets de notes de Newton sur ses expériences relatives à l'observation au
travers d'un prisme. (Newton C.U.L. ms Add 3996 fol 122) |
Puis vient l'expérience fondamentale de
1704 sur le prisme.
Les rayons solaires (S) arrivent par la
droite et passent au travers d'une petite ouverture (F) dans le volet et sont
dirigés vers le prisme (ABC), les couleurs se dispersent et passent maintenant
dans une autre petite fente (G) qui analyse chaque couleur.
Ce faisceau coloré passe maintenant
dans une autre fente (d) et sur un autre prisme (abc) afin de voir si il
disperse.
Résultat : pas de dispersion, le
faisceau coloré apparaît en MN.
Les couleurs ne sont plus décomposées,
ce si=ont des rayons homogènes (on dirait maintenant monochromatique).
Toutes ces mesures et observations ont
conduit Newton à expliquer précisément la formation des arcs et des couleurs de
l'arc en décrivant pour chaque couleur le trajet lumineux.
C'est la base de la théorie
mathématique de l'Arc en ciel.
On se pose aussi souvent la question du
nombre de couleurs de l'arc en ciel, dans l'antiquité on en comptait trois,
mais à l'époque de Newton on en voyait 7, car cela était un peu magique , cela
correspondait à un octave en musique avec ses 7 tonalités principales.
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Le temps avançant très vite, la
présentation s'arrête là. C'est Daniel Kunth qui tend le micro au public, et M
Blay répond à une longue série de questions, dont celle ci : y a t il un troisième
arc de visible ?, réponse oui, mais pas facile à voir, il est ….dans le dos
quand on voit l'arc principal.
Mon seul regret : pas une photo en
couleur d'un arc en ciel n'a été projetée, aussi j'en profite pour réparer ce
manquement par une photo d'arc, ce n'est pas la plus belle sur le marché, mais
comme dit l'autre c'est moi qui l'ai faite; elle a été prise de ma fenêtre et
l'on voit parfaitement les deux arcs et la bande sombre d'Alexandre.
ANNEXE :
EXPLICATION MODERNE DE L'ARC
(tirée de ma
présentation sur les
couleurs du ciel et phénomènes lumineux).
Les gouttes d’eau jouent le rôle de
prismes
Si on considère
tous les angles d’incidence des rayons lumineux sur la gouttelette, on
prouve que:
Il existe une
ZONE PRÉFÉRENTIELLE où la lumière s’accumule (un calcul mathématique pas trop
trapu le démontre)
Cet angle entre
le rayon lumineux (la direction du soleil) et le rayon sortant donnant
naissance à l’arc en ciel est de 138° (ou 42° suivant la façon de compter), il
ne dépend pas de la taille des gouttes
Mais cet angle
dépend de n (indice de réfraction), ce qui donne naissance à l’arc de toutes
les couleurs, le violet dévié au max et le rouge le moins dévié (extérieur)
En fait ce qui se
produit pour UNE goutte d’eau se produit pour TOUTES les gouttes d’eau
Toutes les gouttes d’eau émettant
préférentiellement de la lumière à 42° de NOTRE LIGNE DE VISÉE , on voit donc
bien logiquement un CERCLE centré sur cette ligne de visée qui nous est
PERSONNELLE
Chacun voit donc
son PROPRE ARC EN CIEL
Du sommet d’une
montagne (ou d’un avion) on verrait un cercle entier, du sol, ce cercle est
interrompu par l’horizon
Chaque couleur a
son propre arc en ciel
Pour le bleu il
est de 40° Pour le rouge de 42°
Ces rayons se
répartissent sur un cône dont le sommet est l’observateur d’ou ARC
Dans de bonnes
conditions atmosphériques, on voit généralement un 2ème arc plus faible et
inversé. Pourquoi?
(voir dessin ci
contre)
Arc primaire :1
réflexion Arc secondaire :2 réflexions
On remarquera que
l’arc secondaire est situé AU DESSUS du primaire 51° au lieu de 42)
Et que bien
logiquement ses couleurs SONT INVERSÉES
Les zones des
deux arc étant des zones où la densité de lumière est forte (par définition),
il en résulte qu’il y a entre ces deux arcs
Une bande sombre,
appelée bande sombre d’Alexandre, philosophe grec de la ville de Aphrodisias
qui le premier remarqua le phénomène
POUR
ALLER PLUS LOIN.
Bien entendu le
livre de Michel Blay : Les figures de l'Arc en ciel aux éditions Belin. Ce
livre a
déjà été commenté sur ce site.
Il l'a aussi été
plus profondément par l'Union
des Professeurs de Physique et Chimie.
L'explication du phénomène
de l'Arc en ciel.
Toute
l'optique géométrique par l'Université du Maine (Le Mans)
Comment
expliquer les arcs en ciel par l'École Normale Sup de Lyon
Comme d'habitude
notre ami Gérard Villemin a une très bonne
explication sur ce sujet sur son site.
About Rainbows
par l'University Corporation for Atmospherics Research (anglais).
Rainbow par Wikipedia et la biographie de Newton
(anglais).
Biographie de René
Descartes chez Wikipedia (français).
Rappel : sur ce
site la présentation sur
les couleurs du ciel.
C'est tout pour
aujourd'hui!
Bon ciel à tous
http://www.planetastronomy.com/