L’invisible révélé grâce à l’optique

UN BEAU paysage, un coucher de soleil flamboyant, une jolie fleur — autant de spectacles agréables à contempler. Bien que nous réfléchissions rarement à tout ce qu’implique le phénomène de la vision, nous sommes certainement heureux de voir.

L’œil est un instrument prodigieux, mais, à lui seul, il ne nous permet de percevoir qu’une fraction de l’univers visible. Par l’intermédiaire de divers instruments (de la simple loupe aux télescopes en passant par les microscopes, les appareils photo, les caméras spéciales, les spectroscopes, etc.), l’optique, ainsi appelle-​t-​on la science qui a pour objet l’étude de la lumière, a grandement contribué à élargir notre connaissance de nous-​mêmes et du monde qui nous entoure.

Peut-être certains de ces instruments d’optique vous sont-​ils familiers, mais savez-​vous comment ils fonctionnent? Par exemple, pourquoi une loupe grossit-​elle? Qu’est-​ce qui permet à un instrument de nous plonger dans le monde des micro-organismes et à un autre de nous projeter dans les immensités de l’univers? L’optique constitue depuis longtemps un fascinant champ d’étude.

L’élément de base

Ne vous est-​il jamais arrivé de faire un trou dans une feuille de papier en concentrant un rayon de soleil à l’aide d’une loupe? Vous teniez alors à la main le plus élémentaire des instruments d’optique: la lentille. La petite tache sur le papier était en fait une image du soleil produite par cette lentille simple. La concentration de toute l’énergie du rayon de soleil sur cette petite surface a créé une chaleur suffisante pour brûler le papier.

Une autre lentille bien connue est celle qu’on trouve sur les appareils photo. Peut-être savez-​vous qu’elle fait converger la lumière émise par un objet de façon à former l’image voulue sur le film. C’est là essentiellement le rôle d’une lentille: focaliser la lumière afin de former une image d’une taille et d’une intensité permettant son observation ou son enregistrement. Mais comment la lentille dévie-​t-​elle la lumière et l’amène-​t-​elle à se concentrer? Grâce au phénomène de la réfraction.

Quand on plonge un bâton dans l’eau, qu’observe-​t-​on? Au niveau de la surface, le bâton semble se briser. Ce phénomène curieux, mais courant, illustre ce qui se produit lorsqu’un rayon lumineux passe d’un milieu à un autre, de l’eau à l’air par exemple: il ne suit plus une ligne droite; il est dévié, sauf s’il frappe l’interface perpendiculairement. C’est ce que les scientifiques appellent la réfraction. L’importance de la réfraction est fonction du milieu — air, eau, huile, verre, etc. — et de l’angle d’incidence, c’est-à-dire de l’angle que le rayon lumineux fait avec la verticale au point de pénétration.

Examinons de nouveau une lentille d’appareil photo. On remarque qu’elle n’est pas plate mais incurvée, comme la surface d’une sphère. On dit qu’elle est convexe. Maintenant, imaginons un rayon lumineux arrivant d’une certaine distance. Au centre, le rayon frappe la surface de la lentille à angle droit, aussi ne subit-​il aucune réfraction et traverse-​t-​il sans être dévié. Plus on se rapproche du bord de la lentille, plus l’angle d’incidence augmente. Autrement dit, la réfraction augmente à mesure que l’on s’éloigne du centre de la lentille. Par conséquent, tous les rayons émis par un même point situé d’un côté d’une lentille correctement façonnée se trouveront regroupés, ou concentrés, de l’autre côté de la lentille pour former une image.

Conception d’un système optique

Cependant, les choses ne sont pas aussi simples, car la lumière subit une réfraction plus ou moins importante selon sa couleur, ou longueur d’onde. Cela explique pourquoi un rayon de soleil qui traverse un prisme se décompose, formant un spectre qui présente les couleurs de l’arc-en-ciel. Le même phénomène se produit avec une lentille simple; à cause de la distorsion de la lumière, l’image présente des franges colorées.

On peut remédier à cet inconvénient par la conception d’un système bien étudié. Les scientifiques savent, par exemple, que la composition chimique du verre joue sur les propriétés réfringentes de la lentille. L’association de plusieurs lentilles se différenciant par le type de verre et par la courbure permet de réduire au minimum les aberrations et les distorsions.

Toutefois, la conception d’un tel système n’est pas simple. Autrefois, elle demandait des semaines et parfois des mois de laborieux calculs à de nombreux techniciens. De nos jours, on se sert de l’ordinateur pour déterminer toutes les variations possibles touchant aux angles des rayons lumineux, à l’espacement entre les lentilles, à la courbure de chaque lentille et à une kyrielle d’autres facteurs. L’ordinateur est programmé pour retenir la combinaison correspondant au système le plus précis.

Un objectif d’appareil photo de qualité peut posséder de quatre à sept éléments, voire davantage, avec des surfaces précises au dix-millième de millimètre. Chaque élément doit être monté avec précision par rapport aux autres. En outre, pour capter le plus de lumière possible, il doit avoir un diamètre aussi important que l’autorise la maniabilité de l’appareil. Tout cela coûte cher, ce qui explique le prix élevé d’un objectif de haute précision. Par exemple, l’un des appareils dont est équipée la navette spatiale permet de photographier des détails de 10 mètres à plus de 240 kilomètres d’altitude. Son objectif est composé de huit éléments, et il coûte neuf millions de dollars!

Voir l’invisible

Songez à ce qu’implique la conception, la fabrication et la mise au point d’un système optique de télescope par lequel nous pouvons plonger nos regards dans les profondeurs insondables de l’univers. Les étoiles lointaines brillent si faiblement que la plupart d’entre elles sont invisibles à l’œil nu. Le principe du télescope est de capter le plus de lumière possible émise par ces étoiles et de la concentrer en un point, afin de former une image visible.

La plupart des télescopes optiques possèdent un miroir concave destiné à recueillir les rayons faiblement lumineux. Le célèbre télescope Hale du mont Palomar (États-Unis), par exemple, est équipé d’un miroir de 5 mètres de diamètre qui lui permet de voir jusqu’à plusieurs milliards d’années-lumière. Aussi imposant soit-​il, ce télescope se trouve désormais éclipsé par un autre instrument installé au sommet du Mauna Kea (Hawaii), dont le miroir de 10 mètres de diamètre lui confère une capacité de condensation de la lumière quatre fois supérieure. En fait, il est si puissant qu’“il permettra de voir la lumière d’une bougie sur la lune”, a dit de lui Howard Keck, président de la fondation qui a fait don de 70 millions de dollars pour financer le projet.

Depuis quelque temps, les astronomes avaient les yeux fixés sur un télescope d’un nouveau genre: le télescope spatial de Hubble (HST), dont la fabrication a coûté près de 1 600 000 000 de dollars. Mis en orbite par la navette spatiale, il tourne autour de la terre à 500 kilomètres d’altitude. Libéré de l’écran que constitue l’atmosphère terrestre, il est doté d’une vue si perçante que, théoriquement, son pouvoir de résolution devrait lui permettre de “distinguer le phare gauche du phare droit d’une voiture à 4 000 kilomètres de distance”, dit la revue Sky & Telescope. Pour atteindre un tel degré de résolution, il a fallu polir la surface de son modeste miroir de 2,4 mètres de diamètre avec une précision de un cinq cent-millième de millimètre. Toutefois, à l’immense déception générale, les premières images envoyées par le télescope spatial étaient floues, un défaut de fabrication en étant apparemment la cause. Selon New Scientist, “un fragment de film synthétique de la taille d’un grain de sable a cassé un appareil de calibrage au cours de la fabrication du miroir primaire du télescope. À cause de cela, le miroir a été poli avec un profil trop plat”. Manifestement, même la technique la plus pointue n’est pas à l’abri de l’erreur!

Après avoir regardé au loin avec le télescope, voyons comment observer de près avec le microscope. Les tout premiers appareils étaient des loupes, ni plus ni moins. Au XVII^e siècle apparut le microscope composé, dont le principe consiste à grossir à l’aide d’une seconde lentille, l’oculaire, l’image formée par une première lentille qu’on appelle généralement l’objectif parce qu’elle est dirigée vers l’objet à observer.

Pour grossir un objet minuscule, le microscope doit pouvoir recueillir le plus possible de rayons lumineux émis par lui. Pour parvenir à ce résultat, on donne à l’objectif une forme de demi-sphère évoquant un chapeau de champignon. Bien que son diamètre n’excède pas le millimètre, sa surface doit être précise au millième de millimètre.

Il est intéressant de signaler que la possibilité de voir de petits objets dépend moins de l’instrument lui-​même que de la lumière utilisée pour éclairer les objets en question. Plus ceux-ci sont petits, plus la longueur d’onde de la lumière doit être courte. Les microscopes optiques fonctionnent sous lumière visible, ce qui interdit l’observation d’objets inférieurs à un dix-millième de millimètre. Les premiers microscopes permirent aux savants de découvrir que les plantes sont composées d’une multitude de cellules — une révélation! De nos jours, toutes les classes de biologie possèdent leurs microscopes, ce qui permet aux élèves de plonger dans le monde des bactéries et des cellules sanguines.

Pour les objets plus petits, de l’ordre du millionième de millimètre, il faut faire appel au microscope électronique. Comme le nom l’indique, au lieu d’utiliser la lumière visible ce sont des faisceaux d’électrons à haute énergie qu’on dirige sur les objets à observer. On peut voir ainsi les virus et les grosses molécules.

Comment descend-​on au niveau de l’atome ou même de son noyau? Pour ce faire, il est nécessaire de “casser” l’atome et de faire appel à l’ordinateur pour construire une image du résultat. D’une certaine façon, les plus grands et les plus puissants des “microscopes” sont donc les accélérateurs de particules (cyclotrons, synchrotrons et autres) dont la taille se compte parfois en kilomètres. Grâce à ces instruments, les savants commencent à avoir une idée des forces qui assurent la cohésion de l’univers.

La vision: un prodige

Comparé à ces appareils sophistiqués, l’œil humain peut sembler bien rudimentaire. Simple, il l’est sûrement; rudimentaire, certainement pas! L’œil n’est nullement gêné par les différentes couleurs de la lumière. Son système de mise au point automatique est à la fois rapide et efficace. Il voit en trois dimensions. Il est capable de saisir les millions de nuances qu’offrent les clairs et les ombres de la couleur. Il peut former et enregistrer une nouvelle image tous les dixièmes de seconde. Et ses possibilités ne s’arrêtent pas là. L’œil humain est bel et bien un chef-d’œuvre.

Ne sommes-​nous pas heureux de voir — avec ou sans l’aide d’instruments d’optique? La connaissance accrue d’éléments grands et petits, visibles et invisibles, nous procure de nombreux bienfaits concrets. Mais, par-dessus tout, le don merveilleux qu’est la vue, associé à ce que nous permet de découvrir l’optique, devrait nous aider à percevoir la sagesse et l’amour de celui qui est à l’origine de ces choses, le Créateur, Jéhovah Dieu. — Psaume 148; Proverbes 20:12.

[Illustrations, page 23]

La spectaculaire nébuleuse d’Orion, située à 1 300 années-lumière.

[Crédit photographique]

NASA photo

En médaillon: L’un des télescopes de l’observatoire américain de Kit Peak, dans l’Arizona.

[Illustrations, page 24]

En haut: Attache d’une simple écaille d’une aile de papillon de nuit, grossie au microscope électronique.

En bas, à gauche: La même structure grossie 40 000 fois. Cette image qui présente encore plus de détails illustre la complexité avec laquelle sont conçus tous les êtres vivants.

[Crédit photographique]

En haut et en bas, à gauche: Outdoor Pictures

En bas, à droite: Premier microscope composé de Hooke, tiré de “Micrographia” de Robert Hooke, 1665.

[Crédit photographique]

Historical Pictures Service