La perception et la description d'ondes remonte bien avant le dix-septième siècle, sans que ce nom d'onde lui soit donné. On connaissait les vagues provoquées par le jet d'une pierre sur une eau calme. On savait que le son était un ébranlement de l'air, que sa vitesse était finie, qu'il se propageait en forme de sphères lorsqu'il n'y avait pas d'obstacle, à l'image des ronds dans l'eau.
    Les vibrations d'un fil tendu, qui sont des ondes stationnaires sur ce fil, furent étudiées par Phytagore, dès le sixième siècle avant J.C., dans le cadre d'une étude mathématique de la musique.
    Le fouet, basé sur la propagation d'une onde le long d'une lanière, est d'un usage fréquent depuis la plus haute antiquité.
    De tout temps, on provoque une onde sur un cordage posé sur un sol, ou un pont de bateau, en secouant sèchement une des extrémités, pour déporter légèrement ce cordage. On agit encore de même pour décrocher une longue corde fixée par un bout à un piton.
    Léonard de Vinci (1452-1519) observe la propagation d'ondes sur l'eau, de vagues sur la mer. Il décrit la réflexion, l'interférence, et explique le ressac comme résultat d'ondes incidentes et réfléchies. On constate que de nombreux effets ondulatoires étaient ainsi connus décrits et utilisés par une large population.
    Mais l'aspect ondulatoire de la lumière n'apparaît pas avant le dix-septième siècle, il semble être énoncé pour la première fois par Descartes (1596-1650), c'est en tous cas ce qu'affirment souvent les livres français de physique du dix-neuvième siècle.

    Pour Descartes, puis pour presque tous les philosophes et scientifiques jusqu'au début du vingtième siècle, l'espace est entièrement rempli d'un élément subtil: l'éther.
    Cet éther fut souvent assimilé à un fluide très fin et très léger.
    Descartes considère que la lumière est une tendance du mouvement de l'éther provoquée par les corps lumineux, tendance qui se propage en ligne droite. Pour Descartes l'éther est semblable à un fluide incompressible, et la vitesse de la lumière est infinie. Sa nature ondulatoire telle qu'elle sera ensuite décrite par Huygens n'est pas clairement énoncée.
    Les considérations de Descartes sur la lumière ainsi que la loi de la réfraction (loi des sinus) se lisent dans son "Discours de la Méthode" de 1637. Chose curieuse, pour trouver la loi de la réfraction de la lumière, Descartes raisonne sur une petite balle matérielle qui change de vitesse en changeant de milieu. Il abandonne ainsi momentanément son hypothèse première d'une ondulation lumineuse de vitesse infinie, pour une théorie corpusculaire de vitesse finie, théorie qui sera reprise et développée par Newton. (La loi de la réfraction fut donnée de manière approchée en 1611 par Képler dans sa Dioptrique, puis de manière exacte en 1620 par Willebrord SNELL (1580-1626, mathématicien et astronome hollandais de Leyde). Il est possible que Descartes, qui séjourna en Hollande, se soit inspiré de ses travaux.)
    Descartes explique par la suite dans ses "Principia Philosophiae" de 1644 que le mouvement des planètes est du à d'immenses tourbillons d'éther qui les emportent et les maintiennent sur leurs trajectoires. Les tourbillons de Descartes eurent la faveur des scientifiques français durant la fin du dix-septième et le début du dix-huitième siècle.
    Le mot éther, (aether en latin, aithêr en grec) en usage depuis l'antiquité, a toujours désigné un fluide très subtil, censé régner au dessus de l'air. Mais dans ses textes, Descartes utilise les expressions : matière subtile, fluide subtil, et non pas le mot éther. Le fluide subtil considéré par Descartes pénètre plus ou moins tous les corps, propriété que ne semblait pas posséder l'éther antique. Le mot éther, jusqu'aux environs de 1700, n'est pas systématiquement utilisé par tous les philosophes, il est souvent remplacé par les expressions utilisées par Descartes.

    Les premières expériences de diffraction de la lumière sont effectuées par Francesco-Maria Grimaldi (1618-1663). Il introduit le mot diffraction pour spécifier le phénomène qu'il vient de découvrir, phénomène, dans lequel on observe qu'un objet éclairé par une source ponctuelle blanche, donne une ombre dont les contours sont bordés de fines traînées lumineuses colorées.
    Grimaldi montre que les résultats obtenus ne sont dus ni à de la lumière directe, ni à de la lumière réfractée, ni à de la lumière réfléchie. Il conclu que la lumière dans ce cas se propage de façon différente des trois modes connus précédents. Il appelle diffraction cette nouvelle propagation. La diffraction ne sera correctement expliquée qu'au dix-neuvième siècle par Fizeau à l'aide du principe de Huygens.
    Grimaldi compare les bandes colorées autour de l'ombre d'un objet aux ondes circulaires produites à la surface de l'eau par le jet d'une pierre. Pour Grimaldi , la vitesse de la lumière est finie. Les travaux de Grimaldi sont publiés à Bologne en 1665 sous le titre : Physico-Mathesis de lumine, coloribus et Iride

    Pascal (1623-1662) qui effectua des travaux sur le vide, précise que le vide qu'il considère est celui duquel est absente toute matière qui tombe sous nos sens. Mais l'éther, pour les philosophes de cette époque, remplit les espaces vides de Pascal, en passant par les pores censés se trouver dans toute matière. La position de Pascal sur le vide qu'il expérimente dans les baromètres n'est parfois pas très claire. Dans certaines parties de son abrégé sur le vide, il cherche à prouver que le vide obtenu est absolu, vide d'éther. Bien qu'il la connaisse, Pascal ne fait pas référence à la théorie de Descartes sur la lumière. Descartes, de son coté, n'admet pas la théorie de Pascal sur le vide absolu. Descartes dans ses écrits, affirme que c'est lui qui a incité Pascal à réaliser certaines expériences sur le vide, en particulier celle qui consiste à mesurer la hauteur de la colonne de mercure d'un baromètre dans une vallée, puis sur le sommet d'une montagne. L' expérience fut effectuée le 19 septembre 1648 au Puy de Dôme par Florin Périer, beau-frère de Pascal. Les deux philosophes, Pascal et Descartes, s'étaient rencontrés à Paris (en 1647) avant cette expérience.
    Pascal semble être le seul à son époque à être convaincu de la possibilité d'un vide absolu.

    Olaüs Römer (1644-1710, astronome danois) détermina en 1675 une première approximation de la vitesse de la lumière. Les observations scupuleuses des satellites de Jupiter firent apparaître des avances et des retards dans leurs levers et couchers (par rapport à Jupiter) suivant les positions relatives de la Terre et de Jupiter. Römer attribua ces apparentes variations au temps que met la lumière pour nous parvenir de ces satellites, ce qui lui permit de calculer la valeur de sa célérité. Ce résultat servit d'appuis à la future théorie de Huygens sur la lumière.

    Christian Huygens (1629-1695) propose dans son "Traité de la lumière (1690)" une théorie ondulatoire des phénomènes lumineux . Les ondes qu'il considére sont analogues à celles du son dans l'air, la lumière est donc selon lui, formée de vibrations longitudinales de l'éther.
    La vitesse finie de la lumière obtenue en 1675, est pour Huygens une confirmation de son hypothèse, car après y avoir rapporté la démonstration de Römer, il écrit dans son livre  : "Or le mouvement successif de la lumière étant confirmé de cette manière, il s'ensuit, comme je l'ai déjà dit, qu'il s'étend par des ondes sphériques, ainsi que le mouvement du son."
    Dans ce traité, on y trouve le principe qui maintenant porte le nom de son auteur. Pour Huygens l'éther a une masse inerte, mais pas de masse pesante. Il tente de justifier par l'expérience que l'éther traverse toute matière sans difficulté, en comparant la masse inerte d'un ballon en verre, fermé et vide, à la masse inerte du verre composant ce même ballon. Les masses inertes étant les mêmes, il en conclut que l'éther traverse sans résistance les parois du ballon.
    Huygens est le premier à donner des explications assez claires et cohérentes des phénomènes ondulatoires.
    Je précise que le principe dont se sert Huygens sur les ondes (principe selon lequel chaque point d'une onde est le centre d'une nouvelle onde) est une hypothèse qui marche assez bien, mais qu'il ne prouve pas. Cette hypothèse, par la suite largement utilisée, n'est toujours pas rigoureusement prouvée dans tous les cas.
    Huygens emploie souvent le mot éther dans son traité de 1690. L'éther se retrouve dans les dictionnaires selon le sens physique donné par Huygens à partir de 1703.
    Le livre de Grimaldi sur la lumière, publié en 1665, fut retrouvé dans la bibliothèque de Huygens. Il se pourrait que Huygens se soit en partie inspiré de ce livre. Ce que Grimaldi appelait diffraction, Huygens le généralisa et l'appela ondulation, et le principe de propagation des ondes de Huygens pourrait être suggéré par les observations et les hypothèses de Grimaldi.
    Huygens cite Descartes, Hooke et sa Micrographie publiée en 1665, ainsi que Pardies mort avant d'avoir achevé son traité sur la réflexion et la réfraction, comme des prédécesseurs de l'hypothèse ondulatoire de la lumière, mais il précise qu'aucun n'a eu l'idée de son principe permettant les démonstrations rigoureuses des lois de la réflexion et de la réfraction. Huygens ne cite jamais Grimaldi et ne résout ni n'évoque le phénomène de diffraction.
    Huygens était partisan des tourbillons de Descartes. Il consacre la fin de son " Traité de la lumière" à un "Discours des causes de la pesanteur", où il conçoit la pesanteur comme dépendante du gradient de la pression qui règne au sein du tourbillon d'éther, qui se trouve autour de la terre; il la conçoit donc, comme une poussée d'Archimède dirigée vers un centre.

    Isaac Newton (1642-1727) bien que convaincu de l'existence de l'éther, soutint une théorie corpusculaire de la lumière. Pour lui, la lumière était formée de petits grains de matière se déplaçant en ligne droite. Cette théorie, de part la réputation de Newton, eut la faveur des scientifiques jusqu'à la fin du dix-huitième siècle. Il expliqua à l'aide de sa conception la plupart des phénomènes lumineux observés, y compris certaines diffractions.
    Newton connaissait les hypothèse de Huygens, ils s'écrivirent plusieurs fois. Newton hésita devant les explications ondulatoires de Huygens, mais les rayons lumineux très fins qui se propagent en ligne droite semblaient pour Newton, incompatibles avec les explications ondulatoires.

    James Bradley (1693-1762, astronome anglais) étudia à l'observatoire de Kew (banlieue de Londre), pendant de nombreux  mois, à partir de décembre 1725, l'étoile gamma de la constellation du Dragon. Il nota durant ses obervations un déplacement imprévu de l'étoile, déplacement qu'il nomma aberration et qui est maintenant connu sous le nom d'aberration de Bradley. En 1728, il expliqua cette aberration par la combinaison de la vitesse finie de la lumière et du mouvement de la terre dans l'espace. Cette aberration est analogue à l'effet de la pluie sur une voiture en marche; car de la voiture on voit la pluie tomber en oblique.
    Cette aberration de Bradley devint une méthode permettant de détecter certains mouvements de la terre à travers l'espace. On a tenté par la suite d'utiliser cette aberration pour détecter le mouvement absolu de la terre, en essayant de constater une différence d'aberration entre une lunette normale, et une lunette dont le tube optique est rempli d'eau; mais l'expérience fut toujours négative. L'aberration de Bradley dans une lunette est du à la trajectoire oblique que fait la lumière dans la lunette, du fait du mouvement de la terre. En modifiant la vitesse de la lumière dans le tube, on pensait modifier l'aberration. Cette tentative est à rapprocher de l'expérience de Michelson qui est expliquée au chapitre IV. L'aberration de Bradley permet uniquement de détecter les variations (en grandeur et en sens) de la vitesse de la terre au cours de son déplacement annuel, mais pas sa translation uniforme éventuelle. Michelson connaissait ce résultat, et c'est pour cela qu'il imagina une expérience plus précise (le résultat négatif du tube optique plein d'eau s'explique, au premier ordre, par la mécanique classique).

    Leonhard EULER (1707-1783) mathématicien et physicien de très grande renommée, dont la production fut des plus considérable soutint vers 1770, seul parmi ses contemporains, la nature ondulatoire de la lumière . Auparavant, vers1750, il avait déjà utilisé l'éther pour expliquer les effets électriques et magnétiques.

    Thomas Young (1773-1829) médecin et physicien anglais, prend fait et cause vers 1800 pour la théorie ondulatoire de la lumière. Il explique notamment la formation des anneaux de Newton en considérant les foyers lumineux comme des sources d'ondes. Je rappelle que les anneaux de Newton s'obtiennent en posant une lentille légérement convexe sur une surface plane réfléchissante, on observe alors autour du point de contact une série d'anneaux lumineux.
    Pour Thomas Young, les ondes lumineuses restent analogues à celles du son dans l'air, les ondes considérées sont longitudinales. On doit à Young l'invention du mot interférence. Les ondes interfèrent en donnant des franges ou des anneaux ou d'autres figures dites d'interférences.
    La célèbre expérience, dite des trous de Young, désigne les interférences obtenues en faisant passer la lumière d'une source ponctuelle, au travers de deux minuscules trous d'aiguille très rapprochés, percés dans une mince carte de carton. Cette expérience très facile à réaliser fut une preuve supplémentaire de la nature ondulatoire de la lumière.
    A partir de cette date, la théorie de Newton commence à être abandonnée, et l'éther support de la lumière retrouve une place de choix. Mais certains scientifiques tels Laplace, Biot, Poisson ... restent encore attachés à la théorie de Newton.
 

    Jusqu'au environs de 1830 on continua à enseigner la théorie corpusculaire de la lumière, sans évoquer les travaux de Young et de Fresnel. A partir de cette date, les livres de physique font connaître la théorie ondulatoire de la lumière, les ondes considérées étant longitudinales. Ce n'est que vers 1835 que tout bon manuel de physique présente la lumière comme une onde transversale de l'éther, s'appuyant pour cela sur les expériences faites avec de la lumière polarisée.

    Hippolyte Fizeau (1816-1896), mis au point en 1849, un appareil mécanique formé de roues dentées, qui permit pour la première fois, une mesure directe de la vitesse de la lumière.
    Le résultat de cette mesure fut assez voisin de la célérité donnée en 1675 par Romer (célérité que Romer avait déduite des observations des satellites de Jupiter).
    Fizeau étendit aussi à l'optique l'effet découvert par Doppler dans le cadre des ondes sonores.

    Léon Foucault (1819-1868) ami de Fizeau, à qui il doit son goût pour la physique, effectua en 1850 à l'aide d'un miroir tournant, des comparaisons de la vitesse de la lumière dans différents milieux. Les résultats montrèrent que la vitesse dans l'eau est inférieure à celle dans l'air, que la vitesse de la lumière est d'autant plus faible que le milieu est plus réfringent. Pour Newton la vitesse de la lumière devait être plus grande dans l'eau que dans l'air, plus grande dans un milieu plus réfringent.
    Ce résultat tout à fait contraire à l'hypothèse de Newton, conforta de façon spectaculaire la théorie ondulatoire de la lumière.
    La certitude de l'éther devint encore plus grande.
    Par la suite, en 1862, Foucault effectua toujours à l'aide d'un miroir tournant, des expériences qui donnèrent des valeurs assez précises de la vitesse de la lumière.

    Michael Faraday (1791-1867) introduit la notion de champs électromagnétiques et la manière de les représenter. Pour Faraday, les charges électriques et les aimants produisent des déformations de l'éther environnant, déformations que l'on peut visualiser par exemple à l'aide de limaille de fer dans le cas des aimants. Ces visualisations sont appelées en France fantômes magnétiques, puis spectres magnétiques. Les conceptions de Faraday sont assez voisines de celles d'Euler. (Outre de nombreux résultats, on doit à Faraday les termes d'ion, de cathode et d'anode.)

    Herman Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894) donna en 1858 un premier théorème mathématique sur les tourbillons, théorème repris et enrichi par Henri Poincaré dans son étude sur les tourbillons de 1893. Les tourbillons dans les fluides sont des sortes d'ondes, qui ont de nombreuses analogies avec les champs électromagnétiques. Le théorème d'Helmholtz tint une grande place.

    William Thomson (1824-1907) qui devint en 1892 Lord Kelvin, avait établit dès 1853 la première théorie complète des circuits électriques oscillants.
    Il représentait aussi les champs magnétiques par des tourbillons d'éther, et cette représentation inspira à Maxwell le sujet de son article de 1861-1862.
    Kelvin assimila également par la suite les atomes à de petits tourbillons d'éther.

    James Clerk Maxwell (1831-1879) reprenant les idées de Faraday unifia les théories de l'électricité du magnétisme et de la lumière par sa théorie générale de l'électromagnétisme (1864,1873). Maxwell chercha jusqu'à la fin de sa vie à interpréter de façon précise ses résultats dans le cadre de l'éther. Il élabora au cours de sa carrière plusieurs modèles mécaniques de l'éther pour expliquer les actions des champs électromagnétiques. Ses modèles mécaniques lui permirent de concevoir et de formuler sa théorie sur l'électromagnétisme. Ils sont la preuve de sa grande volonté de maîtriser les phénomènes physiques. La forme actuelle des quatre équations de Maxwel fut l'oeuvre d'Olivier Heaviside en 1884-1885 ainsi que de Hertz.

    Après Maxwel, Olivier Heaviside (1850-1925), Olivier Lodge (1851-1940), George Francis Fitzgerald (1851-1901), Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) , Heinrich Hertz (1857-1894), complétèrent ses travaux en utilisant toujours des modèles mécaniques de l'éther. L'éther était considéré, par beaucoup de scientifiques au début du vingtième siècle, et surtout les anglais, comme la plus belle conquête de la science.

    Henri Poincaré (1854-1912) publie en 1893 la " Théorie des Tourbillons ", un travail purement mathématique dans les fluides. Dans son introduction on peut lire : "On a tenté aussi de trouver, dans l'existence de pareils mouvements tourbillonnaires, l'explication mécanique de l'univers. Au lieu de se représenter l'espace occupé par des atomes que séparent des distances immenses vis à vis de leur propres dimensions, Sir William Thomson admet que la matière est continue, mais que certaines portions sont animées de mouvements tourbillonnaires, qui, d'après le théorème d'Helmholtz, doivent conserver leur individualité."
    Dans cet ouvrage, Henri Poincaré souligne aussi les analogies obtenues avec les équations de l'électromagnétisme.