La lumière
La lumière est probablement la partie de la nature que nous rencontrons le plus souvent. Mais de quoi est-elle formée ? Comment fonctionne-t-elle ? Les physiciens se sont posé cette question de nombreuses fois dans l'histoire, des philosophes grecs aux disputes entre les physiciens supportant la théorie de Newton, sur la nature "corpusculaire" de la lumière, et ceux partisans de la théorie de Descartes, sur sa nature "ondulatoire". La réponse fut finalement donnée par la physique quantique, définie par Max Planck en 1900, et travaillée aussi par Albert Einstein. Cette théorie donne place à une dualité assez surprenante, la dualité onde-corpuscule. Ondulatoire : Onde électro-magnétique La lumière est d'un côté une onde électromagnétique, se propageant dans l'espace et le temps. En fait, nous baignons en permanence dans un champ électromagnétique, créé par la présence de particules chargées et par leur déplacement. Une perturbation de ce champ se propagera: c'est une onde électromagnétique. Ceci donne à ces ondes la propriété de pouvoir se déplacer dans le vide, car même dans le vide il y a un champ électromagnétique. Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par leur longueur d'onde, qui représente le trajet parcouru par l'onde pendant une période, et leur fréquence, c'est-à-dire le nombre de fois que ce mouvement se reproduit en un temps donné. Ceux-ci sont liés par une formule mathématique dans laquelle entre en ligne de compte la vitesse de la lumière, que l'on appelle aussi célérité de l'onde électromagnétique, soit environ 300 000 km/s. Mais la lumière visible n'est en fait qu'une fenêtre étroite de l'ensemble des ondes électromagnétiques, qui comprennent les rayons gamma, X, ultraviolets, infrarouges, les ondes radios, etc. Le spectre du visible s'étend à peu près de 400 nm (violet) à 700 nm (rouge). Le spectre des ondes électro-magnétiques
Corpusculaire : Les travaux de Max Planck et Albert Einstein sur la "lumière quantique" ont montré que l'énergie de la lumière est aussi en quelque sorte "granuleuse", ce "grain d'énergie" est appelé un photon. Chaque photon d'un rayonnement (lumière, rayons X ...) porte une quantité d'énergie caractéristique de sa fréquence. Le photon est une particule élémentaire de la famille des bosons (voir la page "Vers l'infiniment petit"), et explique les échanges d'énergie entre la lumière et la matière. Ces échanges avec la matière expliquent en effet comment on peut voir certains objets. Il existe deux types d'objets:
Émission atomique Le photon émis portera donc une certaine énergie, qui est proportionnelle à la fréquence de la radiation. Selon la complexité de l'atome/de la molécule, l'émission lumineuse pourra être constituée d'un grand nombre de longueurs d'onde, matérialisées par des raies dans le spectre, ou même des bandes continues dans le cas des molécules. Une couleur est donc définie par sa longueur d'onde, ou par un mélange de longueurs d'onde. Par exemple, un vert "pur" est une radiation "monochromatique" de longueur d'onde 530 nm (nanomètres), tandis que la lumière blanche est un spectre continu contenant toutes les longueurs d'onde du domaine du visible. Une petite remarque sur l'infrarouge/l'ultraviolet: Pourquoi ne percevons-nous pas ces rayonnements? Deux raisons:
Au début de la perception, nous avons donc un rayon lumineux. Celui-ci traversera les milieux transparents de l'oeil, et à cause de leurs indices de réfraction différents, sera réfracté plusieurs fois, la cornée et le cristallin assurant l'accommodation de l'image. La lentille convergente formée par ces milieux transparents provoque aussi une "inversion" de l'image sur la rétine, qui sera corrigée par l'interprétation cérébrale. Puis le rayon traverse la rétine, pour arriver finalement aux segments externes des photorécepteurs, où il sera interprété. La lumière que nous recevons vient du soleil, qui est une étoile. Bien qu’il émette une quantité astronomique de lumière, notre soleil n’est qu’une étoile de taille moyenne. Il en existe de nombreuses qui sont bien plus grandes. Quant au groupe d’étoiles dans lequel nous vivons, la galaxie appelée Voie lactée, elle contient plus de cent milliards d’étoiles. En outre, il existe dans l’univers des milliards et des milliards de galaxies. Quelle quantité considérable de lumière émane de ces astres! La photosynthèse expliquée à la page précédente, et de laquelle dépend la vie sur terre, est liée à la lumière. La lumière est ainsi indispensable à la perpétuation de la vie sur la terre — végétale, animale et humaine. Nous profitons de la nourriture et de l’oxygène produits par la réaction des plantes à la lumière. Nous sommes chauffés, directement et indirectement, par la lumière du soleil. Nous pouvons lire, voir le visage des êtres que nous aimons, nous émerveiller devant des couchers de soleil, grâce à la lumière. La lumière du soleil est une combinaison de couleurs, chacune ayant une longueur d’onde différente. La couleur d’un objet est déterminée par la partie de la lumière que sa surface renvoie (les objets par eux-mêmes n'ont pas de couleur). C’est ainsi que la lumière provoque les nombreuses nuances qui régalent nos yeux. A propos de nos yeux, examinons ce qui se cache derrière ces organes dont la beauté ne laisse pas insensible les hommes.
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