Lumière

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Image:PrismAndLight.jpg La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 0,38 à 0,78 microns (380 nm à 780 nm ; le symbole nm désigne le nanomètre).

Outre la lumière visible, par extension, on appelle parfois « lumière » d'autres ondes électromagnétiques, telles que celles situées dans les domaines infrarouge et ultraviolet.

[modifier] Historique : la lumière et les observations en astronomie

Les observations astronomiques ont été réalisées depuis que l'homme existe : on aperçut des lumières dans le ciel : le Soleil, la Lune, des étoiles au firmament, des étoiles filantes… et l'on se rendit compte que cela gouvernait le cycle des journées (alternance jour / nuit), et le cycle des saisons (durée du jour tout au long de l'année). Le feu produisait également de la lumière.

Dans l'Antiquité, on observa les cycles astronomiques, et l'on comprit les cycles provenant de la Lune (semaine). Dans la Grèce Antique, les philosophes de l'École de Milet croyaient encore que la Terre était plate, mais à partir de Parménide , philosophe présocratique, on admit que la Terre était sphérique. Cependant, dans certains livres d'Aristote, que l'on appela ultérieurement, au XIII^e siècle environ, métaphysique (méta = au-delà, donc ce qui ce qui est au-delà de la physis, qui signifie nature en grec ancien), les théories astronomiques partageaient le monde en un monde sublunaire, imparfait, et un monde supralunaire supposé être parfait. Dans cette représentation, le feu (Soleil) était l'un des quatre éléments fondamentaux, puisque l'on se rendit compte que la combustion produisait une lumière comparable au phénomène observé en provenance du Soleil ou des étoiles. La Terre était au centre de l'univers (géocentrisme), représentation que reprit Ptolémée au II^e siècle.

C'est ainsi que, dans la Grèce antique, l'une des civilisations les plus évoluées de l'Antiquité, on se représentait le monde. Il faut évidemment rappeler que les Grecs de l'Antiquité, pas plus Platon qu'Aristote qui lui était postérieur, puisqu'il fut élève de Platon, ne disposaient des apports techniques du XVII^e siècle, et a fortiori de notre époque. Seul l'astronome Aristarque de Samos, un peu postérieur à nos deux grands philosophes grecs, comprit que la Terre tournait autour du Soleil (héliocentrisme).

L'astronomie moderne apparait lorsque Galilée, après l'invention de la lunette d'approche (probablement au début du XVII^e siècle par les Hollandais), en améliore les performances pour l'utiliser en astronomie (voir lunette astronomique). Il découvre des phénomènes qui n'étaient pas prévus par les théories existantes (taches solaires, montagnes sur la Lune, anneaux de Saturne, ...). Assez rapidement, on développe des télescopes, qui confirment les mouvement espectifs de la Terre et du Soleil, qui ne pouvaient s'expliquer, en grande partie, qu'avec des formulations mathématiques :

trajectoire : lois de Kepler,
mouvement : Galilée et le mouvement uniformément accéléré,
force : Newton et la force de gravitation.

Ces théories héliocentriques bouleversent la représentation du monde au XVIII^e siècle, car les notions de mouvement et de force étaient habituellement auparavant employées avec un sens éthique.

En 1670, Ole Christensen Rømer mesure indirectement la vitesse de la lumière en observant les décalages de l'orbite de Io par rapport aux prévisions. Plus tard en 1849, Hippolyte Fizeau mesure directement la vitesse de la lumière avec un faisceau réfléchi par une roue dentée réfléchissante.

La lumière est une onde
En 1801, Thomas Young expérimente la diffraction et les interférences de la lumière, mais il faudra attendre près d'1 siècle pour que James Clerk Maxwell explique ce phénomène : il publie en 1873 un traité sur les ondes électromagnétiques, définissant la lumière comme une onde qui se propage sous la forme d'un rayonnement, le spectre de ce rayonnement n'étant qu'une partie de l'ensemble du rayonnement électromagnétique, beaucoup plus large : infrarouge, ultraviolet, ondes radio, rayons X... les équations de Maxwell définissant le rayonnement électromagnétique auront de nombreuses applications dès le XIX^e siècle, et encore plus au XX^e siècle (radio, télévision, informatique, satellites...).

La photographie permet aussi de fixer sur le papier les images obtenues par les télescopes, ce qui en rend la diffusion beaucoup plus aisée.

La lumière est une particule
En 1887, Heinrich Rudolf Hertz décrit l'effet photoélectrique. En 1900, Max Planck énonce la théorie du corps noir, puis Albert Einstein en 1905, utilise ces deux théories pour définir la lumière sous sa forme corpusculaire, c'est à dire un déplacement de photons.

La lumière est duale
En 1925, Louis de Broglie unifie les 2 théories en présentant le concept de dualité onde-corpuscule

Au XX^e siècle, on applique les théories électromagnétiques à l'observation astronomique : après la deuxième guerre mondiale, on met au point des télescopes qui recueillent les ondes électromagnétiques dans le spectre radio, les radiotélescopes. Cela présentait l'avantage de permettre de découvrir de nouveaux objets célestes. Ainsi naquit la radioastronomie. On emploie aussi maintenant des télescopes spatiaux pour éviter la pollution atmosphérique.

De nos jours, les astronomes font moins d'« observations » à l'œil nu. Les astronomes amateurs continuent néanmoins d'observer le ciel avec des lunettes astronomiques, qui sont dans leur principe, équivalentes à celle qu'employa Galilée à partir de 1609.

[modifier] Théories

La lumière, comme tout phénomène de déplacement, peut se concevoir comme une onde ou comme un flux de particules (appelées en l'occurrence photons).

Les lois de Maxwell, ou à une échelle plus humaine les lois de l'optique géométrique, décrivent bien le comportement de ces ondes. Cette description classique est tout à fait valide et très utilisée au sein de la communauté scientifique. Cependant, elle n'explique pas la quantification de l'énergie transportée par le rayonnement, phénomène observé et expliqué par Albert Einstein dès 1913 en postulant l'existence des photons.

Toutefois, la physique moderne considère que chacun de ces photons peut lui-même être considéré comme une onde (ce qu'on appelle la dualité onde-particule ou onde-corpuscule en mécanique quantique).

Photons
Perception des couleurs

[modifier] Vitesse

La vitesse de la lumière dans le vide, c (comme célérité), est une constante de la physique. C'est la vitesse maximale permise pour tout déplacement d'information ou d'un objet matériel par la théorie de la relativité. Cette propriété a été induite de l'expérience d'interférométrie de Michelson et Morley et a été clairement énoncée par Albert Einstein en 1905.

De ce fait, la vitesse de la lumière est exacte, car elle ne dépend pas d'une mesure (imprécise et susceptible de changement avec des progrès de mesure). D'autres unités sont définis à partir de la vitesse de la lumière (Cf. infra). Ainsi, la vitesse de la lumière = 299 792 458 m / s

[modifier] Addition des vitesses et célérité

La loi d'addition des vitesses v'=V+v est à peu près vraie pour des vitesses faibles par rapport à la vitesse de la lumière.

Du point de vue de la physique classique, un voyageur marchant dans un train a, par rapport au sol, une vitesse égale à celle du train plus (vectoriellement) sa propre vitesse de marche dans le train. Et l'on écrit d =(V+v) t = Vt +vt = la distance parcourue par le train + la distance parcourue dans le train = la distance parcourue par le voyageur par rapport au sol dans le temps t qui est classiquement le même dans le train et, ce qui implique la loi classique d'addition des vitesses.

Ceci n'est qu'une approximation, qui devient de plus en plus fausse à mesure que la vitesse v considérée augmente.

Un photon va à la même vitesse c que ce soit par rapport au sol ou par rapport au train ! La loi V + c = c' est donc fausse dès lors que c = c' pour V différent de zéro. La loi d'addition des vitesses n'est qu'une approximation de la loi dite de transformation sur les vitesses de Lorentz (appelée parfois d'addition des vitesses, ou plus correctement loi de composition des vitesses).

Ce résultat est une des caractéristiques de la relativité restreinte ; la loi de composition des vitesses issue des transformations mathématiques de Lorentz donnent à la limite des faibles vitesses (par rapport à la vitesse c) les mêmes résultats que les transformations de Galilée.

[modifier] Dans les matériaux

A noter : la vitesse de la lumière n'est pas toujours la même dans tous les milieux et dans toutes les conditions. Par exemple, les écarts de vitesse observés entre deux milieux peuvent être reliés au phénomène de réfraction qui permet le fonctionnement des lentilles.

Les écarts sont généralement assez faibles, ce qui a permis à beaucoup de gens de parler de vitesse de la lumière au lieu de vitesse de la lumière dans le vide. Cependant, dans certains cas, une onde lumineuse peut être considérablement ralentie. Les physiciens sont parvenus à ralentir la propagation lumineuse jusqu'à quelques mètres par seconde dans des cas extrêmes.

[modifier] Dans le Système International (SI)

De nos jours, la plupart des unités du système international sont définies à partir de la célérité de la lumière.

Une vitesse étant le quotient d'une longueur par une durée, on peut donc définir une distance comme étant le produit d'une durée par une vitesse (en l'occurrence c), ou une durée comme la division d'une distance par c.

Mesure de temps

La seconde est définie dans le système international par un phénomène lumineux : c'est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.

Mesure de distance

Le mètre, unité du système international de longueur. En 2005, il est défini comme la distance parcourue par la lumière en 1/299.792.458 de seconde. Il s'agit là d'une définition conventionnelle, toute évolution dans la définition de la seconde aurait un impact direct sur la longueur du mètre. Avec la définition actuelle de la seconde, le mètre est donc égal à

<math> \frac{9.192.631.770}{299.792.458} </math> fois la longueur d'onde de la radiation choisie.

On peut également dire que la vitesse de la lumière dans le vide, est précisément 299.792.458 m.s^-1 : il n'y a pas la moindre incertitude sur ce chiffre, l'incertitude ne réside que dans la définition de la seconde.

Le mètre, avec ses multiples (millimètre, kilomètre), est très pratique pour mesurer les distances sur la Terre, par contre pour les astronomes, il est un peu court et peu adapté (puisque les astronomes n'observent pratiquement que de la lumière). En effet, la Lune, l'astre le plus proche de nous, est à 380 000 000 mètres de nous.

Le Soleil, l'étoile la plus proche est à 150 000 000 000 mètres. Ce n'est pas très pratique !!

Avec le principe décrit précédemment (distance = c x durée), on définit l'année-lumière comme étant la distance que la lumière parcourt en 1 an. Ainsi le Soleil n'est plus qu'à 8,32 minutes-lumière de nous. Et la Lune à seulement un peu plus d'1 seconde-lumière. L'année-lumière vaut environ 10 000 000 000 000 000 de mètres (10 millions de milliards de mètres).

[modifier] En pratique

[modifier] Monochromatisme et polychromatisme

La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques. De manière générale, une onde est caractérisée par sa longueur d'onde et sa phase. La longueur d'onde correspond à la couleur de la lumière. Ainsi, une lumière constituée d'ondes de la même longueur d'onde, est dite monochromatique. Si en plus toutes les ondes ont la même phase, alors la lumière est cohérente : c'est ce qui se passe dans un laser.

[modifier] Mesure

En matière de mesure de la lumière, il importe de bien définir de quoi on parle

l'unité de flux lumineux est le lumen = candela.stéradian. Une ampoule électrique courante (15 watts basse consommation ou 75 watts à incandescence classique) produit environ 1500 lumens.
L'unité internationale d'intensité lumineuse est la candela.

La mesure de la lumière est compliquée par le fait qu'on s'intéresse, en pratique, à la lumière visible, alors que la perception humaine dépend de la longueur d'onde : Cf. luminance et chrominance.

[modifier] Lumières célestes

Le Soleil et plus généralement les étoiles produisent plus de rayonnement qu'ils n'en reçoivent,
La Lune et plus généralement les petits corps célestes (les planètes et leurs satellites, les astéroïdes, les comètes, etc.), produisent moins de rayonnement qu'ils n'en reçoivent. Certaines planètes géantes (comme Jupiter ou Saturne) produisent un peu plus de rayonnement qu'ils n'en reçoivent, mais pas suffisamment pour être facilement visibles à l'œil nu depuis la terre. Dans les deux cas, ces corps sont lumineux par réflexion de la lumière du Soleil.
Les étoiles filantes sont échauffées par la friction avec l'air et finissent par y brûler. Ce phénomène est source de lumière.

[modifier] Lumières chimiques

Certains organismes vivants:poissons, mollusques, lucioles et vers luisants, sont le siège de réactions chimiques productrices de lumières.
Les chauffages intenses, donc les combustions en général, le feu, les feux-follets, produisent de la lumière :

liquide : les lampes à huile, à pétrole, ou à gaz,

solide : les bougies, chandelle (chandelier), cierge.

[modifier] Lumières électriques

Image:Uv-LED.jpg

Les lumières électriques sont les sources les plus courantes de lumière aujourd'hui : lampadaires, spots, phares, lampes-torches, etc., elles peuvent utiliser un phénomène de chauffage ou un phénomène quantique.

L'ampoule électrique (« lampe à incandescence ») a révolutionné la vie quotidienne. La source de lumière provient de l'incandescence d'un filament lumineux. Le tube fluorescent, la diode électroluminescente sont des lumières électriques, ainsi que le tube cathodique qui emploie la technique d'un bombardement d'électrons.

[modifier] Lumières quantiques

la fluorescence, les lasers, les lampes à vapeur de mercure ou de sodium, les plasmas tels que ceux produits par les éclairs dans les orages, produisent de la lumière issue de phénomènes quantiques au cœur des atomes : l'excitation des électrons ("pompage optique", qui peut être obtenu par simple ), puis la désexcitation de ces électrons, qui retourne à un niveau d'énergie plus habituel, inférieur, en émettant un photon (c'est-à-dire de la lumière).

[modifier] Autres lumières

Les étincelles sont le produit d'une intense friction, etc.

L'émission de lumière due au frottement, ou triboluminescence, n'est pas d'origine thermique et elle ne se produit qu'avec des isolants électriques.

[modifier] Vision humaine

Voir l'article détaillé : Œil

[modifier] Phénomènes optiques

[modifier] Symbole de la lumière

La lumière a fait l'objet d'une interprétation symbolique dès que les hommes se sont mis à croire dans un au-delà. Depuis la déification du feu, élément vital des hommes des cavernes, l'un des quatre éléments de la philosophie de la Grèce antique, jusqu'à la théologie chrétienne de Dieu comme "lumière des lumières" on n'a eu de cesse que de lui accorder des origines et vertus surnaturelles.

Ses symboles sont universels et se déclinent sous des formes multiples :

le cercle solaire (symbole d'Aton, dieu de l'Egypte antique, rosace "rayonnante" des cathédrales gothiques),
la flèche ou le triangle (à l'image du rayon solaire comme pour les pyramides aztèques et égyptiennes).

Les philosophes, dans l'Histoire, ont beaucoup joué sur ce symbole pour faire passer leurs idées. Ainsi, Descartes a-t-il affirmé dans les Principes de la philosophie (1644), que l'on pouvait s'appuyer sur les lumières naturelles, sans les lumières de la foi. C'était à l'époque où l'on se rendait compte que la Terre tournait autour du Soleil (voir Révolution copernicienne, ce qui a constitué un bouleversement dans les représentations du monde, et consécutivement dans les représentations sociales.

L'expression « Lumières » pour désigner le courant philosophique européen (en particulier en France) qui a dérivé de cette conception plutôt mécaniste du monde et de l'univers a également donné son nom au siècle pendant lequel cette représentation sociale s'est mise en place, communément appelé le siècle des Lumières, et que Michel Foucault analyse dans les mots et les choses (voir aussi épistémè).

Georges Duby, dans le temps des cathédrales (1975), décrit également, sous l'angle artistique, la théologie de la Lumière, initiée à la basilique Saint-Denis au XII^e siècle, qui est à l'origine de l'architecture dite gothique (mot apparu au XIX^e siècle et de l'émergence des cathédrales dites gothiques dans toute l'Europe.