Jonas Ferdinand Gabriel Lippmann (16 août 1845 – 13 juillet 1921) est un physicien et inventeur franco-luxembourgeois, lauréat du prix Nobel de physique pour sa méthode de reproduction photographique des couleurs basée sur le phénomène d’interférence. Ses parents étaient des Juifs français.

Vie et éducation

Gabriel Lippmann est né à Bonnevoie, au Luxembourg (Bouneweg), le 16 août 1845. À l’époque, Bonnevoie faisait partie de la commune de Hollerich (luxembourgeois : Hollerech), qui est souvent citée comme son lieu de naissance. (Son père, Isaïe, un juif français né à Ennery près de Metz, dirigeait l’entreprise familiale de ganterie dans l’ancien couvent de Bonnevoie. En 1848, la famille s’installe à Paris où Lippmann est d’abord éduqué par sa mère, Miriam Rose (Lévy), avant de fréquenter le Lycée Napoléon (aujourd’hui Lycée Henri-IV). On dit de lui qu’il était un élève plutôt inattentif mais réfléchi, avec un intérêt particulier pour les mathématiques.

En 1868, il est admis à l’École normale supérieure de Paris où il échoue au concours d’agrégation qui lui aurait permis d’entrer dans l’enseignement, préférant étudier la physique. En 1872, le gouvernement français l’envoie en mission à l’université de Heidelberg où il peut se spécialiser en électricité grâce aux encouragements de Gustav Kirchhoff, obtenant un doctorat avec la mention « summa cum laude » en 1874. Lippmann retourne ensuite à Paris en 1875, où il poursuit ses études jusqu’en 1878, date à laquelle il devient professeur de physique à la Sorbonne.

L’électromètre capillaire

L’une des premières découvertes de Lippmann est la relation entre les phénomènes électriques et capillaires, ce qui lui permet de mettre au point un électromètre capillaire sensible, connu par la suite sous le nom d’électromètre de Lippmann et utilisé dans le premier appareil ECG. Dans un article présenté à la Société philosophique de Glasgow le 17 janvier 1883, John G. M’Kendrick décrit l’appareil comme suit :

L’électromètre de Lippmann consiste en un tube de verre ordinaire, d’un mètre de long et de 7 millimètres de diamètre, ouvert aux deux extrémités et maintenu en position verticale par un support solide. L’extrémité inférieure est attirée dans une pointe capillaire, jusqu’à ce que le diamètre du capillaire soit de 0,005 millimètre. Le tube est rempli de mercure, et la pointe capillaire est immergée dans de l’acide sulfurique dilué (1 à 6 d’eau en volume), et dans le fond du récipient contenant l’acide il y a un peu plus de mercure. Un fil de platine est mis en contact avec le mercure dans chaque tube et, enfin, des dispositions sont prises pour que le point capillaire puisse être vu avec un microscope grossissant de 250 diamètres.

Cet instrument est très sensible, et Lippmann affirme qu’il est possible de déterminer une différence de potentiel aussi faible que celle d’un 10 080e de Daniell. Il s’agit donc d’un moyen très délicat d’observer et (comme il peut être gradué par une méthode de compensation) de mesurer des forces électromotrices infimes.

La thèse de doctorat de Lippmann, présentée à la Sorbonne le 24 juillet 1875, portait sur l’électrocapillarité.

Piézoélectricité

En 1881, Lippmann a prédit l’effet piézoélectrique inverse.

La photographie des couleurs

Lippmann reste avant tout dans les mémoires comme l’inventeur d’une méthode de reproduction des couleurs par la photographie, basée sur le phénomène d’interférence, qui lui valut le prix Nobel de physique en 1908.

En 1886, l’intérêt de Lippmann se porte sur une méthode permettant de fixer les couleurs du spectre solaire sur une plaque photographique. Le 2 février 1891, il annonce à l’Académie des sciences : « J’ai réussi à obtenir l’image du spectre avec ses couleurs sur une plaque photographique grâce à laquelle l’image reste fixe et peut rester à la lumière du jour sans se détériorer. » En avril 1892, il est en mesure d’annoncer qu’il a réussi à produire des images en couleur d’un vitrail, d’un groupe de drapeaux, d’un bol d’oranges surmonté d’un coquelicot rouge et d’un perroquet multicolore. Il présente sa théorie de la photographie en couleurs par la méthode des interférences dans deux communications à l’Académie, l’une en 1894, l’autre en 1906.

Le phénomène d’interférence en optique est le résultat de la propagation des ondes de la lumière. Lorsque la lumière d’une longueur d’onde donnée est réfléchie sur elle-même par un miroir, des ondes stationnaires sont générées, tout comme les ondulations résultant de la chute d’une pierre dans de l’eau calme créent des ondes stationnaires lorsqu’elles sont réfléchies par une surface telle que la paroi d’une piscine. Dans le cas d’une lumière incohérente ordinaire, les ondes stationnaires ne sont distinctes que dans un volume d’espace microscopique proche de la surface réfléchissante.

Lippmann a utilisé ce phénomène en projetant une image sur une plaque photographique spéciale capable d’enregistrer des détails plus petits que les longueurs d’onde de la lumière visible. La lumière passait à travers la plaque de verre de support dans une émulsion photographique très fine et presque transparente contenant des grains d’halogénure d’argent de taille inframicroscopique.

Un miroir temporaire de mercure liquide en contact étroit renvoyait la lumière à travers l’émulsion, créant des ondes stationnaires dont les nœuds avaient peu d’effet tandis que leurs antinœuds créaient une image latente. Après développement, le résultat était une structure de lamines, des couches parallèles distinctes composées de grains d’argent métallique submicroscopiques, qui était un enregistrement permanent des ondes stationnaires. Dans chaque partie de l’image, l’espacement des lamelles correspondait aux demi-longueurs d’onde de la lumière photographiée.

La plaque finie était éclairée par l’avant à un angle presque perpendiculaire, en utilisant la lumière du jour ou une autre source de lumière blanche contenant toute la gamme de longueurs d’onde du spectre visible. En chaque point de la plaque, la lumière ayant approximativement la même longueur d’onde que la lumière qui a généré les lamines a été fortement réfléchie vers l’observateur. La lumière d’autres longueurs d’onde qui n’était pas absorbée ou diffusée par les grains d’argent passait simplement à travers l’émulsion, généralement pour être absorbée par une couche noire anti-reflet appliquée au dos de la plaque après son développement. Les longueurs d’onde, et donc les couleurs, de la lumière qui avait formé l’image originale étaient ainsi reconstituées et l’on obtenait une image en couleurs.

En pratique, le procédé Lippmann n’était pas facile à utiliser. Les émulsions photographiques haute résolution à grain extrêmement fin sont par nature beaucoup moins sensibles à la lumière que les émulsions ordinaires, de sorte que de longs temps d’exposition étaient nécessaires.

Avec un objectif de grande ouverture et un sujet très lumineux, une exposition de moins d’une minute était parfois possible, mais les expositions mesurées en minutes étaient typiques. Les couleurs spectrales pures se reproduisent brillamment, mais les larges bandes mal définies de longueurs d’onde réfléchies par les objets du monde réel peuvent poser problème. Le procédé ne produisait pas de tirages couleur sur papier et il s’est avéré impossible de faire une bonne copie d’une photographie couleur Lippmann en la rephotographiant, de sorte que chaque image était unique.

Un prisme à angle très faible était généralement collé à l’avant de la plaque finie pour dévier les reflets de surface indésirables, ce qui rendait les plaques de taille importante peu pratiques. L’éclairage et la disposition des yeux nécessaires pour voir les couleurs de façon optimale empêchaient une utilisation occasionnelle. Bien que les plaques spéciales et un porte-plaque avec un réservoir de mercure intégré aient été disponibles dans le commerce pendant quelques années vers 1900, même les utilisateurs experts n’ont pas pu obtenir de bons résultats réguliers et le procédé n’a jamais cessé d’être une curiosité de laboratoire scientifiquement élégante. Il a cependant stimulé l’intérêt pour le développement de la photographie en couleur.

Le procédé de Lippmann a préfiguré l’holographie laser, qui repose également sur l’enregistrement d’ondes stationnaires sur un support photographique. Les hologrammes de réflexion de Denisyuk, souvent appelés hologrammes de Lippmann-Bragg, présentent des structures laminaires similaires qui réfléchissent de manière préférentielle certaines longueurs d’onde.

Dans le cas des hologrammes couleur à longueurs d’onde multiples de ce type, l’information couleur est enregistrée et reproduite comme dans le procédé de Lippmann, sauf que la lumière laser hautement cohérente qui traverse le support d’enregistrement et est réfléchie par le sujet génère les ondes stationnaires distinctes requises dans un volume spatial relativement important, ce qui élimine la nécessité d’une réflexion à proximité immédiate du support d’enregistrement. Cependant, contrairement à la photographie couleur de Lippmann, les lasers, le sujet et le support d’enregistrement doivent tous être maintenus stables à un quart de longueur d’onde près pendant l’exposition pour que les ondes stationnaires soient enregistrées correctement ou pas du tout.

La photographie intégrale

En 1908, Lippmann a présenté ce qu’il a appelé la « photographie intégrale », dans laquelle un réseau plan de petites lentilles sphériques très rapprochées est utilisé pour photographier une scène, enregistrant des images de la scène telle qu’elle apparaît depuis de nombreux emplacements horizontaux et verticaux légèrement différents. Lorsque les images résultantes sont rectifiées et visualisées à travers un réseau similaire de lentilles, une seule image intégrée, composée de petites parties de toutes les images, est vue par chaque œil. La position de l’œil détermine les parties des petites images qu’il voit.

L’effet est que la géométrie visuelle de la scène originale est reconstruite, de sorte que les limites de la matrice semblent être les bords d’une fenêtre à travers laquelle la scène apparaît grandeur nature et en trois dimensions, présentant de manière réaliste la parallaxe et le changement de perspective avec tout changement de position de l’observateur. Ce principe d’utilisation de nombreuses lentilles ou ouvertures d’imagerie pour enregistrer ce qui a été appelé plus tard un champ lumineux est à la base de l’évolution de la technologie des caméras à champ lumineux et des microscopes.

Lorsque Lippmann présente les fondements théoriques de sa « photographie intégrale » en mars 1908, il est impossible de les accompagner de résultats concrets. À l’époque, les matériaux nécessaires à la production d’un écran lenticulaire présentant les qualités optiques appropriées faisaient défaut. Dans les années 1920, des essais prometteurs sont réalisés par Eugène Estanave, avec des lentilles de verre Stanhope, et par Louis Lumière, avec du celluloïd. La photographie intégrale de Lippmann est à l’origine des recherches sur l’imagerie lenticulaire en 3D et animée, ainsi que sur les procédés lenticulaires en couleur.

La mesure du temps

En 1895, Lippmann a mis au point une méthode pour éliminer l’équation personnelle dans les mesures du temps, en utilisant l’enregistrement photographique, et il a étudié l’éradication des irrégularités des horloges à pendule, en concevant une méthode de comparaison des temps d’oscillation de deux pendules de période presque égale.

Le cœlostat

Lippmann invente également le cœlostat, un outil astronomique qui compense la rotation de la Terre et permet de photographier une région du ciel sans mouvement apparent.

Affiliations académiques

Lippmann a été membre de l’Académie des sciences du 8 février 1886 à sa mort, dont il a été le président en 1912. Il était également membre étranger de la Royal Society of London, membre du Bureau des longitudes et membre de l’Institut grand-ducal de Luxembourg. Il est devenu membre de la Société française de photographie en 1892 et son président de 1896 à 1899. Lippmann est l’un des fondateurs de l’Institut d’optique théorique et appliquée en France. Lippmann a été président de la Société Astronomique de France (SAF), la société française d’astronomie, de 1903 à 1904.

Distinctions honorifiques

Dans la ville de Luxembourg, un institut de recherche scientifique fondamentale a été baptisé du nom de Lippmann (Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann) qui a fusionné le 1er janvier 2015 avec un autre grand centre de recherche pour former le nouveau Luxembourg Institute for Science and Technology (LIST).

Vie privée

Lippmann épouse la fille du romancier Victor Cherbuliez en 1888. Il meurt le 13 juillet 1921 à bord du paquebot France alors qu’il est en route pour le Canada.