Lumière -Light

Un prisme triangulaire dispersant un faisceau de lumière blanche. Les longueurs d'onde plus longues (rouge) et les longueurs d'onde plus courtes (bleu) sont séparées.

La lumière ou la lumière visible est un rayonnement électromagnétique dans la partie du spectre électromagnétique qui est perçue par l' œil humain . La lumière visible est généralement définie comme ayant des longueurs d' onde comprises entre 400 et 700 nanomètres (nm), correspondant à des fréquences de 750 à 420 térahertz , entre l' infrarouge (avec des longueurs d'onde plus longues) et l' ultraviolet (avec des longueurs d'onde plus courtes).

En physique , le terme "lumière" peut désigner plus largement un rayonnement électromagnétique de toute longueur d'onde, qu'il soit visible ou non. En ce sens, les rayons gamma, les rayons X , les micro -ondes et les ondes radio sont également légers. Les principales propriétés de la lumière sont l' intensité , la direction de propagation, le spectre de fréquence ou de longueur d'onde et la polarisation . Sa vitesse dans le vide , 299 792 458 mètres par seconde (m/s), est l'une des constantes fondamentales de la nature. Comme tous les types de rayonnement électromagnétique, la lumière visible se propage par des particules élémentaires sans masse appelées photons qui représentent les quanta du champ électromagnétique et peuvent être analysées à la fois comme des ondes et des particules . L'étude de la lumière, connue sous le nom d' optique , est un domaine de recherche important de la physique moderne .

La principale source de lumière naturelle sur Terre est le Soleil . Historiquement, une autre source importante de lumière pour les humains a été le feu , des anciens feux de camp aux lampes à pétrole modernes . Avec le développement des lumières électriques et des systèmes d'alimentation , l'éclairage électrique a effectivement remplacé la lumière du feu.

Spectre électromagnétique et lumière visible

Le spectre électromagnétique , avec la partie visible en surbrillance

Généralement, le rayonnement électromagnétique (EMR) est classé par longueur d'onde en ondes radio , micro -ondes , infrarouge , le spectre visible que nous percevons comme lumière, ultraviolet , rayons X et rayons gamma . La désignation « rayonnement » exclut les champs électriques statiques , magnétiques et proches .

Le comportement du REM dépend de sa longueur d'onde. Les fréquences plus élevées ont des longueurs d'onde plus courtes et les fréquences plus basses ont des longueurs d'onde plus longues. Lorsque le REM interagit avec des atomes et des molécules simples, son comportement dépend de la quantité d'énergie par quantum qu'il transporte.

L'EMR dans la région de la lumière visible se compose de quanta (appelés photons ) qui se situent à l'extrémité inférieure des énergies capables de provoquer une excitation électronique dans les molécules, ce qui entraîne des modifications de la liaison ou de la chimie de la molécule. À l'extrémité inférieure du spectre de la lumière visible, l'EMR devient invisible pour l'homme (infrarouge) car ses photons n'ont plus assez d'énergie individuelle pour provoquer un changement moléculaire durable (un changement de conformation) dans la molécule visuelle rétinienne dans la rétine humaine, ce qui le changement déclenche la sensation de vision.

Il existe des animaux sensibles à différents types d'infrarouges, mais pas par absorption quantique. La détection infrarouge chez les serpents dépend d'une sorte d' imagerie thermique naturelle , dans laquelle de minuscules paquets d'eau cellulaire sont chauffés par le rayonnement infrarouge. L'EMR dans cette gamme provoque des vibrations moléculaires et des effets de chauffage, c'est ainsi que ces animaux le détectent.

Au-dessus de la plage de lumière visible, la lumière ultraviolette devient invisible pour l'homme, principalement parce qu'elle est absorbée par la cornée en dessous de 360 ​​nm et la lentille interne en dessous de 400 nm. De plus, les bâtonnets et les cônes situés dans la rétine de l'œil humain ne peuvent pas détecter les très courtes longueurs d'onde ultraviolettes (inférieures à 360 nm) et sont en fait endommagés par les ultraviolets. De nombreux animaux dont les yeux ne nécessitent pas de lentilles (comme les insectes et les crevettes) sont capables de détecter les ultraviolets, par des mécanismes d'absorption quantique des photons, de la même manière chimique que les humains détectent la lumière visible.

Diverses sources définissent la lumière visible aussi étroitement que 420–680 nm à aussi largement que 380–800 nm. Dans des conditions de laboratoire idéales, les gens peuvent voir l'infrarouge jusqu'à au moins 1 050 nm ; les enfants et les jeunes adultes peuvent percevoir des longueurs d'onde ultraviolettes jusqu'à environ 310–313 nm.

La croissance des plantes est également affectée par le spectre de couleur de la lumière, un processus connu sous le nom de photomorphogenèse .

Spectre visible linéaire.svg

Vitesse de la lumière

Faisceau de lumière du soleil à l'intérieur de la cavité de Rocca ill'Abissu à Fondachelli-Fantina , Sicile

La vitesse de la lumière dans le vide est définie comme étant exactement 299 792 458  m/s (environ 186 282 miles par seconde). La valeur fixe de la vitesse de la lumière en unités SI résulte du fait que le mètre est désormais défini en termes de vitesse de la lumière. Toutes les formes de rayonnement électromagnétique se déplacent exactement à cette même vitesse dans le vide.

Différents physiciens ont tenté de mesurer la vitesse de la lumière à travers l'histoire. Galilée a tenté de mesurer la vitesse de la lumière au XVIIe siècle. Une première expérience pour mesurer la vitesse de la lumière a été menée par Ole Rømer , un physicien danois, en 1676. À l'aide d'un télescope , Rømer a observé les mouvements de Jupiter et de l'une de ses lunes , Io . Notant des écarts dans la période apparente de l'orbite d'Io, il a calculé que la lumière met environ 22 minutes pour traverser le diamètre de l'orbite terrestre. Cependant, sa taille n'était pas connue à cette époque. Si Rømer avait connu le diamètre de l'orbite terrestre, il aurait calculé une vitesse de 227 000 000 m/s.

Une autre mesure plus précise de la vitesse de la lumière a été effectuée en Europe par Hippolyte Fizeau en 1849. Fizeau a dirigé un faisceau de lumière vers un miroir à plusieurs kilomètres de distance. Une roue dentée rotative a été placée sur le trajet du faisceau lumineux lorsqu'il se déplaçait de la source au miroir, puis retournait à son origine. Fizeau a découvert qu'à une certaine vitesse de rotation, le faisceau traversait un espace dans la roue à l'aller et l'espace suivant au retour. Connaissant la distance au miroir, le nombre de dents de la roue et la vitesse de rotation, Fizeau a pu calculer la vitesse de la lumière à 313 000 000 m/s.

Léon Foucault a réalisé une expérience qui a utilisé des miroirs tournants pour obtenir une valeur de 298 000 000 m/s en 1862. Albert A. Michelson a mené des expériences sur la vitesse de la lumière de 1877 jusqu'à sa mort en 1931. Il a affiné les méthodes de Foucault en 1926 en utilisant miroirs rotatifs améliorés pour mesurer le temps qu'il a fallu à la lumière pour faire un aller-retour du mont Wilson au mont San Antonio en Californie. Les mesures précises ont donné une vitesse de 299 796 000 m/s.

La vitesse effective de la lumière dans diverses substances transparentes contenant de la matière ordinaire est moindre que dans le vide. Par exemple, la vitesse de la lumière dans l'eau est d'environ 3/4 de celle dans le vide.

On a dit que deux équipes indépendantes de physiciens apportaient la lumière à un «arrêt complet» en la faisant passer à travers un condensat Bose-Einstein de l'élément rubidium , une équipe à l'Université de Harvard et au Rowland Institute for Science à Cambridge, Massachusetts et l'autre à la Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics , également à Cambridge. Cependant, la description populaire de la lumière "arrêtée" dans ces expériences se réfère uniquement à la lumière stockée dans les états excités des atomes, puis réémise à un moment ultérieur arbitraire, stimulée par une seconde impulsion laser. Pendant le temps qu'il s'était "arrêté", il avait cessé d'être léger.

Optique

L'étude de la lumière et de l'interaction de la lumière et de la matière est appelée optique . L'observation et l'étude de phénomènes optiques tels que les arcs-en -ciel et les aurores boréales offrent de nombreux indices sur la nature de la lumière.

Réfraction

En raison de la réfraction, la paille trempée dans l'eau semble pliée et l'échelle de la règle comprimée lorsqu'elle est vue sous un angle peu profond.

La réfraction est la courbure des rayons lumineux lorsqu'ils traversent une surface entre un matériau transparent et un autre. Il est décrit par la loi de Snell :

où θ 1 est l'angle entre le rayon et la normale à la surface dans le premier milieu, θ 2 est l'angle entre le rayon et la normale à la surface dans le second milieu et n 1 et n 2 sont les indices de réfraction , n = 1 dans un vide et n > 1 dans une substance transparente .

Lorsqu'un faisceau de lumière traverse la frontière entre le vide et un autre milieu, ou entre deux milieux différents, la longueur d'onde de la lumière change, mais la fréquence reste constante. Si le faisceau de lumière n'est pas orthogonal (ou plutôt normal) à la frontière, le changement de longueur d'onde entraîne un changement de direction du faisceau. Ce changement de direction est appelé réfraction .

La qualité de réfraction des lentilles est fréquemment utilisée pour manipuler la lumière afin de modifier la taille apparente des images. Loupes , lunettes , lentilles de contact , microscopes et télescopes réfractaires sont autant d'exemples de cette manipulation.

Sources lumineuses

Il existe de nombreuses sources de lumière. Un corps à une température donnée émet un spectre caractéristique de rayonnement de corps noir. Une source thermique simple est la lumière du soleil, le rayonnement émis par la chromosphère du Soleil à environ 6 000 kelvins (5 730 degrés Celsius ; 10 340 degrés Fahrenheit) culmine dans la région visible du spectre électromagnétique lorsqu'il est tracé en unités de longueur d'onde et environ 44 % de l'énergie solaire qui atteint le sol est visible. Un autre exemple est celui des ampoules à incandescence , qui n'émettent qu'environ 10 % de leur énergie sous forme de lumière visible et le reste sous forme d'infrarouge. Une source de lumière thermique courante dans l'histoire est constituée par les particules solides incandescentes dans les flammes , mais celles-ci émettent également la majeure partie de leur rayonnement dans l'infrarouge et seulement une fraction dans le spectre visible.

Le pic du spectre du corps noir se situe dans l'infrarouge profond, à environ 10 micromètres de longueur d'onde, pour des objets relativement froids comme les êtres humains. À mesure que la température augmente, le pic se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes, produisant d'abord une lueur rouge, puis une blanche et enfin une couleur bleu-blanc lorsque le pic se déplace hors de la partie visible du spectre et dans l'ultraviolet. Ces couleurs peuvent être vues lorsque le métal est chauffé au "rouge chaud" ou au "blanc chaud". L' émission thermique bleu-blanc n'est pas souvent observée, sauf dans les étoiles (la couleur bleu pur couramment observée dans une flamme de gaz ou une torche de soudeur est en fait due à l'émission moléculaire, notamment par les radicaux CH (émettant une bande de longueur d'onde autour de 425 nm et n'est pas visible dans les étoiles ou dans le rayonnement thermique pur).

Les atomes émettent et absorbent de la lumière à des énergies caractéristiques. Cela produit des « raies d'émission » dans le spectre de chaque atome. L'émission peut être spontanée , comme dans les diodes électroluminescentes , les lampes à décharge de gaz (telles que les lampes au néon et les enseignes au néon , les lampes à vapeur de mercure , etc.) et les flammes (lumière du gaz chaud lui-même - ainsi, par exemple, le sodium dans un la flamme du gaz émet une lumière jaune caractéristique). L'émission peut également être stimulée , comme dans un laser ou un maser à micro-ondes .

La décélération d'une particule chargée libre, telle qu'un électron , peut produire un rayonnement visible : le rayonnement cyclotron , le rayonnement synchrotron et le rayonnement de freinage en sont tous des exemples. Les particules se déplaçant à travers un milieu plus rapidement que la vitesse de la lumière dans ce milieu peuvent produire un rayonnement Cherenkov visible . Certains produits chimiques produisent un rayonnement visible par chimioluminescence . Chez les êtres vivants, ce processus est appelé bioluminescence . Par exemple, les lucioles produisent de la lumière par ce moyen et les bateaux se déplaçant dans l'eau peuvent perturber le plancton qui produit un sillage lumineux.

Certaines substances produisent de la lumière lorsqu'elles sont éclairées par un rayonnement plus énergétique, un processus connu sous le nom de fluorescence . Certaines substances émettent lentement de la lumière après excitation par un rayonnement plus énergétique. C'est ce qu'on appelle la phosphorescence . Les matériaux phosphorescents peuvent également être excités en les bombardant avec des particules subatomiques. La cathodoluminescence en est un exemple. Ce mécanisme est utilisé dans les téléviseurs à tube cathodique et les moniteurs d'ordinateur .

Certains autres mécanismes peuvent produire de la lumière :

Lorsque le concept de lumière est destiné à inclure des photons de très haute énergie (rayons gamma), des mécanismes de génération supplémentaires incluent :

La mesure

La lumière est mesurée avec deux principaux ensembles d'unités alternatives : la radiométrie consiste en des mesures de la puissance lumineuse à toutes les longueurs d'onde, tandis que la photométrie mesure la lumière avec une longueur d'onde pondérée par rapport à un modèle standardisé de perception de la luminosité humaine. La photométrie est utile, par exemple, pour quantifier l' illumination (éclairage) destinée à un usage humain.

Les unités de photométrie sont différentes de la plupart des systèmes d'unités physiques en ce sens qu'elles tiennent compte de la façon dont l'œil humain réagit à la lumière. Les cellules coniques de l'œil humain sont de trois types qui répondent différemment à travers le spectre visible et les pics de réponse cumulés à une longueur d'onde d'environ 555 nm. Par conséquent, deux sources de lumière qui produisent la même intensité (W/m 2 ) de lumière visible n'apparaissent pas nécessairement de manière égale. Les unités de photométrie sont conçues pour en tenir compte et sont donc une meilleure représentation de la "luminosité" d'une lumière que l'intensité brute. Ils se rapportent à la puissance brute par une quantité appelée efficacité lumineuse et sont utilisés à des fins telles que la détermination de la meilleure façon d'obtenir un éclairage suffisant pour diverses tâches dans des environnements intérieurs et extérieurs. L'éclairement mesuré par un capteur à cellule photoélectrique ne correspond pas nécessairement à ce qui est perçu par l'œil humain et sans filtres qui peuvent être coûteux, les cellules photoélectriques et les dispositifs à couplage de charge (CCD) ont tendance à répondre à certains infrarouges , ultraviolets ou les deux.

Légère pression

La lumière exerce une pression physique sur les objets sur son chemin, un phénomène qui peut être déduit par les équations de Maxwell, mais peut être plus facilement expliqué par la nature particulaire de la lumière : les photons frappent et transfèrent leur impulsion. La pression lumineuse est égale à la puissance du faisceau lumineux divisée par c , la vitesse de la lumière.  En raison de l'amplitude de c , l'effet de la pression lumineuse est négligeable pour les objets du quotidien. Par exemple, un pointeur laser  d'un milliwatt exerce une force d'environ 3,3 piconewtons sur l'objet éclairé ; ainsi, on pourrait soulever un centime américain avec des pointeurs laser, mais cela nécessiterait environ 30 milliards de pointeurs laser de 1 mW. Cependant, dans les applications à l'échelle nanométrique telles que les systèmes nanoélectromécaniques (NEMS), l'effet de la pression lumineuse est plus important et l'exploitation de la pression lumineuse pour piloter les mécanismes NEMS et basculer les commutateurs physiques à l'échelle nanométrique dans les circuits intégrés est un domaine de recherche actif. À plus grande échelle, une légère pression peut faire tourner les astéroïdes plus rapidement, agissant sur leurs formes irrégulières comme sur les aubes d'un moulin à vent . La possibilité de fabriquer des voiles solaires qui accéléreraient les vaisseaux spatiaux dans l'espace est également à l'étude.   

Bien que le mouvement du radiomètre de Crookes ait été initialement attribué à une légère pression, cette interprétation est incorrecte ; la rotation caractéristique de Crookes est le résultat d'un vide partiel. Cela ne doit pas être confondu avec le radiomètre Nichols , dans lequel le (léger) mouvement causé par le couple (mais pas assez pour une rotation complète contre le frottement) est directement causé par une légère pression. Conséquence d'une légère pression, Einstein prédit en 1909 l'existence d'un "frottement radiatif" qui s'opposerait au mouvement de la matière. Il a écrit, "le rayonnement exercera une pression sur les deux côtés de la plaque. Les forces de pression exercées sur les deux côtés sont égales si la plaque est au repos. Cependant, si elle est en mouvement, plus de rayonnement sera réfléchi sur la surface qui est en avant pendant le mouvement (surface avant) que sur la surface arrière. La force de pression agissant vers l'arrière exercée sur la surface avant est donc supérieure à la force de pression agissant sur l'arrière. Par conséquent, comme résultante des deux forces, il reste une force qui s'oppose au mouvement de la plaque et qui augmente avec la vitesse de la plaque. Nous appellerons cette résultante "frottement de rayonnement" en bref."

Habituellement, l'impulsion lumineuse est alignée sur sa direction de mouvement. Cependant, par exemple dans les ondes évanescentes, l'impulsion est transversale à la direction de propagation.

Théories historiques sur la lumière, par ordre chronologique

Grèce classique et hellénisme

Au Ve siècle av. J.-C., Empédocle postulait que tout était composé de quatre éléments ; le feu, l'air, la terre et l'eau. Il croyait qu'Aphrodite avait créé l'œil humain à partir des quatre éléments et qu'elle avait allumé le feu dans l'œil qui brillait de l'œil rendant la vue possible. Si cela était vrai, alors on pourrait voir pendant la nuit aussi bien que pendant la journée, alors Empédocle a postulé une interaction entre les rayons des yeux et les rayons d'une source telle que le soleil.

Vers 300 av. J.-C., Euclide écrit Optica , dans lequel il étudie les propriétés de la lumière. Euclide a postulé que la lumière voyageait en lignes droites et il a décrit les lois de la réflexion et les a étudiées mathématiquement. Il a demandé que la vue soit le résultat d'un rayon de l'œil, car il demande comment on voit les étoiles immédiatement, si l'on ferme les yeux, puis les ouvre la nuit. Si le faisceau de l'œil se déplace infiniment vite, ce n'est pas un problème.

En 55 av. J.-C., Lucrèce , un Romain qui poursuivit les idées des premiers atomistes grecs , écrivit que "La lumière et la chaleur du soleil ; celles-ci sont composées d'atomes minuscules qui, lorsqu'ils sont repoussés, ne perdent pas de temps à tirer à travers l'espace d'air dans la direction donnée par la poussée." (de Sur la nature de l'Univers ). Bien qu'elles soient similaires aux théories des particules ultérieures, les opinions de Lucrèce n'étaient généralement pas acceptées. Ptolémée (vers le deuxième siècle) a écrit sur la réfraction de la lumière dans son livre Optique .

Inde classique

Dans l'Inde ancienne , les écoles hindoues de Samkhya et de Vaisheshika , dès les premiers siècles de notre ère, ont développé des théories sur la lumière. Selon l'école Samkhya, la lumière est l'un des cinq éléments "subtils" fondamentaux ( tanmatra ) d'où émergent les éléments grossiers. L' atomicité de ces éléments n'est pas spécifiquement mentionnée et il semble qu'ils aient en fait été considérés comme continus. D'autre part, l'école Vaisheshika donne une théorie atomique du monde physique sur le terrain non atomique de l'éther , de l'espace et du temps. (Voir atomisme indien .) Les atomes de base sont ceux de la terre ( prthivi ), de l'eau ( pani ), du feu ( agni ) et de l'air ( vayu ). Les rayons lumineux sont considérés comme un flux à grande vitesse d'atomes de tejas (feu). Les particules de lumière peuvent présenter des caractéristiques différentes selon la vitesse et les dispositions des atomes tejas . Le Vishnu Purana se réfère à la lumière du soleil comme "les sept rayons du soleil".

Les bouddhistes indiens , tels que Dignāga au cinquième siècle et Dharmakirti au septième siècle, ont développé un type d'atomisme qui est une philosophie selon laquelle la réalité est composée d'entités atomiques qui sont des éclairs momentanés de lumière ou d'énergie. Ils considéraient la lumière comme une entité atomique équivalente à l'énergie.

Descartes

René Descartes (1596-1650) soutenait que la lumière était une propriété mécanique du corps lumineux, rejetant les « formes » d' Ibn al-Haytham et de Witelo ainsi que les « espèces » de Bacon , Grosseteste et Kepler . En 1637, il publia une théorie de la réfraction de la lumière qui supposait, à tort, que la lumière voyageait plus vite dans un milieu plus dense que dans un milieu moins dense. Descartes est arrivé à cette conclusion par analogie avec le comportement des ondes sonores. Bien que Descartes se soit trompé sur les vitesses relatives, il avait raison de supposer que la lumière se comportait comme une onde et de conclure que la réfraction pouvait s'expliquer par la vitesse de la lumière dans différents milieux.

Descartes n'est pas le premier à utiliser les analogies mécaniques mais parce qu'il affirme clairement que la lumière n'est qu'une propriété mécanique du corps lumineux et du milieu émetteur, la théorie de la lumière de Descartes est considérée comme le début de l'optique physique moderne.

Théorie des particules

Pierre Gassendi (1592-1655), atomiste, proposa une théorie particulaire de la lumière qui fut publiée à titre posthume dans les années 1660. Isaac Newton a étudié le travail de Gassendi à un âge précoce et a préféré son point de vue à la théorie du plenum de Descartes . Il a déclaré dans son hypothèse de la lumière de 1675 que la lumière était composée de corpuscules (particules de matière) qui étaient émises dans toutes les directions à partir d'une source. L'un des arguments de Newton contre la nature ondulatoire de la lumière était que les ondes étaient connues pour contourner les obstacles, tandis que la lumière ne se déplaçait qu'en lignes droites. Il a cependant expliqué le phénomène de la diffraction de la lumière (qui avait été observé par Francesco Grimaldi ) en admettant qu'une particule lumineuse puisse créer une onde localisée dans l' éther .

La théorie de Newton pourrait être utilisée pour prédire la réflexion de la lumière, mais ne pourrait expliquer la réfraction qu'en supposant à tort que la lumière s'accélérait en entrant dans un milieu plus dense parce que l' attraction gravitationnelle était plus grande. Newton a publié la version finale de sa théorie dans son Opticks de 1704. Sa réputation a aidé la théorie particulaire de la lumière à s'imposer au XVIIIe siècle. La théorie particulaire de la lumière a conduit Laplace à affirmer qu'un corps pouvait être si massif que la lumière ne pouvait pas s'en échapper. En d'autres termes, il deviendrait ce qu'on appelle aujourd'hui un trou noir . Laplace a retiré sa suggestion plus tard, après qu'une théorie ondulatoire de la lumière se soit fermement établie comme modèle de lumière (comme cela a été expliqué, ni une théorie des particules ni une théorie des ondes n'est entièrement correcte). Une traduction de l'essai de Newton sur la lumière apparaît dans The large scale structure of space-time , de Stephen Hawking et George FR Ellis .

Le fait que la lumière puisse être polarisée a été pour la première fois expliqué qualitativement par Newton en utilisant la théorie des particules. Étienne-Louis Malus en 1810 a créé une théorie mathématique des particules de polarisation. Jean-Baptiste Biot en 1812 montra que cette théorie expliquait tous les phénomènes connus de polarisation de la lumière. A cette époque, la polarisation était considérée comme la preuve de la théorie des particules.

Théorie des vagues

Pour expliquer l'origine des couleurs , Robert Hooke (1635–1703) a développé une "théorie des impulsions" et a comparé la propagation de la lumière à celle des ondes dans l'eau dans son ouvrage de 1665 Micrographia ("Observation IX"). En 1672, Hooke suggéra que les vibrations de la lumière pouvaient être perpendiculaires à la direction de propagation. Christiaan Huygens (1629–1695) a élaboré une théorie mathématique des ondes de la lumière en 1678 et l'a publiée dans son Traité de la lumière en 1690. Il a proposé que la lumière soit émise dans toutes les directions sous la forme d'une série d'ondes dans un milieu appelé l' éther luminifère . Comme les ondes ne sont pas affectées par la gravité, on a supposé qu'elles ralentissaient lorsqu'elles pénétraient dans un milieu plus dense.

Esquisse de Thomas Young d'une expérience à double fente montrant la diffraction . Les expériences de Young ont soutenu la théorie selon laquelle la lumière est constituée d'ondes.

La théorie des ondes prédisait que les ondes lumineuses pouvaient interférer les unes avec les autres comme les ondes sonores (comme l'a noté vers 1800 Thomas Young ). Young a montré au moyen d'une expérience de diffraction que la lumière se comportait comme des ondes. Il a également proposé que différentes couleurs soient causées par différentes longueurs d' onde de lumière et a expliqué la vision des couleurs en termes de récepteurs tricolores dans l'œil. Un autre partisan de la théorie des vagues était Leonhard Euler . Il a soutenu dans Nova theoria lucis et colorum (1746) que la diffraction pouvait plus facilement être expliquée par une théorie des ondes. En 1816 , André-Marie Ampère donne à Augustin-Jean Fresnel l'idée que la polarisation de la lumière peut être expliquée par la théorie des ondes si la lumière était une onde transversale .

Plus tard, Fresnel a élaboré indépendamment sa propre théorie ondulatoire de la lumière et l'a présentée à l' Académie des sciences en 1817. Siméon Denis Poisson a ajouté au travail mathématique de Fresnel pour produire un argument convaincant en faveur de la théorie ondulatoire, aidant à renverser la théorie corpusculaire de Newton. En 1821, Fresnel a pu montrer par des méthodes mathématiques que la polarisation pouvait être expliquée par la théorie ondulatoire de la lumière si et seulement si la lumière était entièrement transversale, sans aucune vibration longitudinale.

La faiblesse de la théorie des ondes était que les ondes lumineuses, comme les ondes sonores, auraient besoin d'un moyen de transmission. L'existence de la substance hypothétique éther luminifère proposée par Huygens en 1678 a été fortement mise en doute à la fin du XIXe siècle par l' expérience de Michelson-Morley .

La théorie corpusculaire de Newton impliquait que la lumière se déplacerait plus rapidement dans un milieu plus dense, tandis que la théorie ondulatoire de Huygens et d'autres impliquait le contraire. À cette époque, la vitesse de la lumière ne pouvait pas être mesurée avec suffisamment de précision pour décider quelle théorie était correcte. Le premier à faire une mesure suffisamment précise fut Léon Foucault , en 1850. Son résultat conforta la théorie des ondes et la théorie classique des particules fut finalement abandonnée, pour resurgir en partie au 20e siècle.

Théorie électromagnétique

Une onde électromagnétique polarisée linéairement allant dans l'axe des x, avec E désignant le champ électrique et B perpendiculaire désignant le champ magnétique

En 1845, Michael Faraday a découvert que le plan de polarisation de la lumière polarisée linéairement est tourné lorsque les rayons lumineux se déplacent le long de la direction du champ magnétique en présence d'un diélectrique transparent , un effet maintenant connu sous le nom de rotation de Faraday . Ce fut la première preuve que la lumière était liée à l'électromagnétisme . En 1846, il a émis l'hypothèse que la lumière pourrait être une forme de perturbation se propageant le long des lignes de champ magnétique. Faraday a proposé en 1847 que la lumière était une vibration électromagnétique à haute fréquence, qui pouvait se propager même en l'absence d'un milieu tel que l'éther.

Les travaux de Faraday ont inspiré James Clerk Maxwell à étudier le rayonnement électromagnétique et la lumière. Maxwell a découvert que les ondes électromagnétiques auto-propagées se déplaceraient dans l'espace à une vitesse constante, qui se trouvait être égale à la vitesse de la lumière précédemment mesurée. De cela, Maxwell a conclu que la lumière était une forme de rayonnement électromagnétique : il a d'abord déclaré ce résultat en 1862 dans On Physical Lines of Force . En 1873, il publie A Treatise on Electricity and Magnetism , qui contient une description mathématique complète du comportement des champs électriques et magnétiques, encore connus sous le nom d' équations de Maxwell . Peu de temps après, Heinrich Hertz a confirmé expérimentalement la théorie de Maxwell en générant et en détectant des ondes radio en laboratoire et en démontrant que ces ondes se comportaient exactement comme la lumière visible, présentant des propriétés telles que la réflexion, la réfraction, la diffraction et les interférences . La théorie de Maxwell et les expériences de Hertz ont conduit directement au développement de la radio moderne, du radar, de la télévision, de l'imagerie électromagnétique et des communications sans fil.

Dans la théorie quantique, les photons sont considérés comme des paquets d'ondes des ondes décrites dans la théorie classique de Maxwell. La théorie quantique était nécessaire pour expliquer les effets même avec la lumière visuelle que la théorie classique de Maxwell ne pouvait pas (comme les raies spectrales ).

Théorie des quanta

En 1900 , Max Planck , tentant d'expliquer le rayonnement du corps noir , a suggéré que bien que la lumière soit une onde, ces ondes ne pouvaient gagner ou perdre de l'énergie qu'en quantités finies liées à leur fréquence. Planck a appelé ces « morceaux » d'énergie lumineuse « quanta » (d'un mot latin pour « combien »). En 1905, Albert Einstein a utilisé l'idée de quanta de lumière pour expliquer l' effet photoélectrique et a suggéré que ces quanta de lumière avaient une "vraie" existence. En 1923 , Arthur Holly Compton a montré que le décalage de longueur d'onde observé lorsque des rayons X de faible intensité diffusés par des électrons (dite diffusion Compton ) pouvait être expliqué par une théorie particulaire des rayons X, mais pas par une théorie ondulatoire. En 1926 , Gilbert N. Lewis nomma ces particules quantiques de lumière photons .

Finalement, la théorie moderne de la mécanique quantique en est venue à décrire la lumière comme (dans un certain sens) à la fois une particule et une onde et (dans un autre sens), comme un phénomène qui n'est ni une particule ni une onde (qui sont en fait des phénomènes macroscopiques, tels que balles de baseball ou vagues de l'océan). Au lieu de cela, la physique moderne considère la lumière comme quelque chose qui peut être décrit parfois avec des mathématiques appropriées à un type de métaphore macroscopique (particules) et parfois à une autre métaphore macroscopique (ondes d'eau), mais c'est en fait quelque chose qui ne peut pas être entièrement imaginé. Comme dans le cas des ondes radio et des rayons X impliqués dans la diffusion Compton, les physiciens ont noté que le rayonnement électromagnétique a tendance à se comporter plus comme une onde classique à des fréquences plus basses, mais plus comme une particule classique à des fréquences plus élevées, mais ne perd jamais complètement tout. qualités de l'un ou de l'autre. La lumière visible, qui occupe un terrain d'entente en fréquence, peut facilement être décrite dans des expériences comme étant descriptible en utilisant un modèle d'onde ou de particules, ou parfois les deux.

En février 2018, des scientifiques ont signalé, pour la première fois, la découverte d'une nouvelle forme de lumière, pouvant impliquer des polaritons , qui pourrait être utile au développement d' ordinateurs quantiques .

Utiliser pour la lumière sur Terre

La lumière du soleil fournit l' énergie que les plantes vertes utilisent pour créer des sucres principalement sous forme d' amidons , qui libèrent de l'énergie dans les êtres vivants qui les digèrent. Ce processus de photosynthèse fournit pratiquement toute l'énergie utilisée par les êtres vivants. Certaines espèces d'animaux génèrent leur propre lumière, un processus appelé bioluminescence . Par exemple, les lucioles utilisent la lumière pour localiser leurs partenaires et les calmars vampires l'utilisent pour se cacher de leurs proies.

Voir également

Remarques

Références

Liens externes

  • Médias liés à la lumière sur Wikimedia Commons
  • La définition du dictionnaire de la lumière au Wiktionnaire
  • Citations liées à la lumière sur Wikiquote