Cette publication est accessible gratuitement
Lire

Définition de : LUMIÈRE

De
6 pages
Article publié par Encyclopaedia Universalis LUMIÈRE ...Mais rendre la lumière /Suppose d'ombre une morne moitié (Paul Valéry, Le Cimetière marin) La liaison entre lumière et œil est si forte qu'il aura fallu plus de mille ans de réflexion pour se convaincre qu'ils sont indépendants l'un de l'autre, que la lumière est, même lorsqu'aucun œil ne la contemple. Un autre millénaire fut encore nécessaire pour arriver à construire un modèle de la lumière, aujourd'hui centenaire et qu'aucune nouvelle découverte, depuis l'atome jusqu'aux confins de l'univers, n'a encore ébranlé. La lumière nous permet de voir le monde : les objets doivent être éclairés pour que notre œil les perçoive. Soit ils reçoivent de la lumière dont ils nous renvoient une partie, soit ils en émettent eux-mêmes. L'image d'un objet est donc une superposition d'informations lumineuses, qui sont essentiellement de deux sortes : l'intensité et la couleur. Toutes les autres informations que nous apporte la vue en sont dérivées : une (très bonne) photo nous donne l'équivalent d'une vision directe et nous savons que cette photo n'envoie, elle aussi, que ces deux types d'informations. La lumière, une structure ondulatoire L'intensité de la lumière qui entre dans notre œil dépend du flux lumineux qui provient de la source, lequel se mesure en watts par mètre carré, puisqu'il s'agit d'un flux d'énergie.
Voir plus Voir moins
LUMIÈRE

...Mais rendre la lumière /Suppose d'ombre une morne moitié (Paul Valéry, Le Cimetière marin)

La liaison entre lumière et œil est si forte qu'il aura fallu plus de mille ans de réflexion pour se convaincre qu'ils sont indépendants l'un de l'autre, que la lumière est, même lorsqu'aucun œil ne la contemple. Un autre millénaire fut encore nécessaire pour arriver à construire un modèle de la lumière, aujourd'hui centenaire et qu'aucune nouvelle découverte, depuis l'atome jusqu'aux confins de l'univers, n'a encore ébranlé.

La lumière nous permet de voir le monde : les objets doivent être éclairés pour que notre œil les perçoive. Soit ils reçoivent de la lumière dont ils nous renvoient une partie, soit ils en émettent eux-mêmes. L'image d'un objet est donc une superposition d'informations lumineuses, qui sont essentiellement de deux sortes : l'intensité et la couleur. Toutes les autres informations que nous apporte la vue en sont dérivées : une (très bonne) photo nous donne l'équivalent d'une vision directe et nous savons que cette photo n'envoie, elle aussi, que ces deux types d'informations.

La lumière, une structure ondulatoire

L'intensité de la lumière qui entre dans notre œil dépend du flux lumineux qui provient de la source, lequel se mesure en watts par mètre carré, puisqu'il s'agit d'un flux d'énergie. Cependant, cette unité de mesure ne permet pas de prendre en compte le caractère subjectif de la sensation de « brillance » de l'objet observé, qui dépend en particulier de ses couleurs. L'unité d'éclairement, qui exprime la sensation qu'on éprouve devant une surface éclairée par une source s'appelle le lux. À titre d'exemple, l'éclairement que produit la pleine lune est de 0,2 lux, celui du plein soleil, 100 000 lux. Dans ces deux cas, la lumière reçue est blanche. On sait, depuis Isaac Newton (1642-1727), que cette lumière blanche est en fait la superposition des lumières colorées qu'on peut observer lors de la formation d'un arc-en-ciel (résultant de la décomposition de la lumière blanche). Traditionnellement, on distingue sept couleurs principales, mais en fait le spectre de la lumière solaire en contient une série continue. La notion de couleur comporte une part suggestive qui traduit une certaine imprécision de notre système visuel : la couleur orange existe dans le spectre de la lumière blanche, mais nous désignons aussi du même nom la sensation visuelle issue de la superposition d'une couleur rouge et d'une couleur jaune, qu'on peut obtenir soit en faisant converger deux rayons lumineux, soit en mélangeant deux pigments. Ces trois couleurs orange – celle de l'arc-en-ciel (celle du spectre) et celles des mélanges – correspondent à des stimuli différents qui aboutissent à la même perception.

La nature de la lumière fut longtemps objet de controverse entre tenants d'une structure ondulatoire, derrière Christiaan Huygens (1629-1695), et adeptes d'un modèle corpusculaire, menés par Isaac Newton (1642-1727). Les premiers s'inspiraient d'une comparaison avec le son, mais butaient sur la difficulté d'expliquer la propagation d'une onde dans le vide ; les seconds ignoraient toutes les contradictions du modèle tant ils faisaient confiance à leur illustre mentor. La découverte, au début du xixe siècle (Thomas Young, Augustin Fresnel) de phénomènes spécifiquement ondulatoires comme les interférences et la diffraction devait balayer sans appel l'idée corpusculaire et permettre de bâtir un modèle du rayonnement lumineux remarquablement cohérent, explicatif et prédictif. La lumière est une onde, caractérisée par sa vitesse de propagation, grande, mais finie (299 792,458 km/s dans le vide), qui varie avec le milieu où elle se propage. C'est Léon Foucault (1819-1868) qui en apportera la preuve en montrant que sa vitesse dans l'eau est inférieure à sa vitesse dans le vide : ce qui donnera l'ultime coup de grâce aux tenants du modèle corpusculaire. L'ensemble des couleurs de l'arc-en-ciel correspond donc à des ondes dont la minuscule longueur est comprise entre 0,000 4 millimètre pour le violet et 0,000 78 millimètre pour le rouge sombre. On sait que, en plus de la lumière visible, le soleil nous dispense des lumières invisibles dont la longueur d'onde est supérieure au rouge pour l'infrarouge et inférieure au violet pour l'ultraviolet.

La nature physique de ces ondes lumineuses fut révélée par James Clerck Maxwell (1831-1879) qui les assimila à des ondes électromagnétiques. L'onde est formée d'un champ électrique et d'un champ magnétique, tous deux perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde. Toutes les propriétés connues de la lumière s'expliquaient parfaitement, pour Maxwell et ses contemporains, par l'existence de ces deux champs : la réfraction, c'est-à-dire le changement de direction de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu comme l'air à un autre milieu transparent comme l'eau ou le verre, ce qui permet de fabriquer des lentilles, mais aussi les fibres optiques, indispensables pour nos télécommunications ; la polarisation, qui, habilement exploitée par des verres appropriés, permet d'éliminer le reflet du soleil sur une route mouillée ; la diffraction, responsable de l'image pointilliste d'un réverbère lointain vu à travers le tulle d'un rideau ; les interférences, qui donnent les couleurs lumineuses des ailes de papillon et le chatoiement du reflet d'une lumière sur un CD, etc.

Découverte des photons

En même temps que se développaient de façon explosive les applications du modèle ondulatoire, quelques points obscurs embarrassaient les physiciens, en particulier ce qui touchait à l'émission de lumière par la matière. L'étude du rayonnement émis par un corps chauffé amena Max Planck (1858-1947) à proposer, à contrecœur, l'idée que le rayonnement lumineux possède une structure discontinue, granulaire, « quantifiée », en contradiction avec le modèle électromagnétique de Maxwell. Cette idée surprenante, qui semblait renouer avec le vieux modèle de Newton, trouva son plein épanouissement dans l'un des trois célèbres articles qu'Albert Einstein publia en 1905, où le grain de lumière, baptisé photon, prend place à côté de l'onde de Maxwell. Ce sont ces véloces particules, dépourvues de masse mais non d'énergie, qui véhiculent la lumière. Leur caractère de grain se manifeste chaque fois qu'elles sont en interaction avec la matière, que celle-ci les absorbe, les émette, ou simplement les fasse rebondir. En revanche, lorsqu'elles se propagent en grand nombre, comme c'est le cas dans la plupart des manifestations de la lumière à notre échelle, la « vieille » description ondulatoire est bien adaptée : dans un laser, par exemple, des atomes sont sollicités pour émettre chacun un photon. Grâce à un jeu de miroirs, ces photons emprisonnés sont contraints de se synchroniser en très grand nombre au cours de multiples allers et retours. Au bout du compte, lorsqu'ils s'échappent du laser, ils forment ainsi un faisceau de lumière d'une seule couleur (d'une seule longueur d'onde), dont l'onde est parfaitement bien ordonnée et conforme au modèle de Maxwell sur des kilomètres de longueur. Néanmoins, la réalité des photons ne fait aucun doute, et les détecteurs ultra-sensibles sont parfaitement capables de les isoler un par un.

Les particules de Newton étaient de simples petits grains ; les photons sont des particules quantiques, ce qui leur confère d'étranges comportements : si un processus donne naissance à deux photons simultanés, qui partent dans des directions opposées, il existe une sorte de couplage entre eux qui fait que, si l'on agit sur l'un, cela modifie instantanément l'autre, à quelque distance qu'il soit. Cette surprenante propriété trouvera peut-être des applications pour assurer le secret absolu des transmissions de données confidentielles.

Auteur: Jean MATRICON
Un pour Un
Permettre à tous d'accéder à la lecture
Pour chaque accès à la bibliothèque, YouScribe donne un accès à une personne dans le besoin