Lumière

(Faisceau de lumière solaire à l’intérieur de la cavité de Rocca ill’Abissu à Fondachelli Fantina, Sicile)

La lumière ou la lumière visible est un rayonnement électromagnétique dans la partie du spectre électromagnétique qui peut être perçue par l’œil humain. La lumière visible est généralement définie comme ayant des longueurs d’onde comprises entre 400 et 700 nanomètres (nm), ou 4,00 × 10⁻⁷ à 7,00 × 10⁻⁷ m, entre l’infrarouge (avec des longueurs d’onde plus longues) et l’ultraviolet (avec des longueurs d’onde plus courtes) . Cette longueur d’onde signifie une gamme de fréquences d’environ 430 à 750 térahertz (THz).

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

Les principales propriétés de la lumière visible sont l’intensité, la direction de propagation, le spectre de fréquences ou de longueurs d’onde, et la polarisation, tandis que sa vitesse dans le vide, 299.792.458 mètres par seconde, est l’une des constantes fondamentales de la nature. La lumière visible, comme pour tous les types de rayonnement électromagnétique (REM), s’est avérée expérimentalement se déplacer toujours à cette vitesse dans le vide.

En physique, le terme lumière fait parfois référence au rayonnement électromagnétique de n’importe quelle longueur d’onde, visible ou non. En ce sens, les rayons gamma, les rayons X, les micro-ondes et les ondes radio sont également de la lumière. Comme tous les types de rayonnement électromagnétique, la lumière visible se propage sous forme d’ondes. Cependant, l’énergie transmise par les ondes est absorbée à des endroits uniques de la même manière que les particules sont absorbées. L’énergie absorbée des ondes électromagnétiques est appelée photon et représente les quanta de lumière. Lorsqu’une onde de lumière est transformée et absorbée sous forme de photon, l’énergie de l’onde s’effondre instantanément en un seul endroit, et c’est à cet endroit que le photon « arrive ». C’est ce qu’on appelle l’effondrement de la fonction d’onde. Cette double nature semblable à une onde et une particule de la lumière est connue sous le nom de dualité onde-particule. L’étude de la lumière, connue sous le nom d’optique, est un domaine de recherche important en physique moderne.

Spectre électromagnétique et lumière visible

(Le spectre électromagnétique, avec la partie visible en surbrillance.)

Généralement, le rayonnement EM (la désignation « rayonnement » exclut les champs électriques statiques, magnétiques et proches), ou REM, est classé par longueur d’onde en ondes radio, micro-ondes, infrarouge, le spectre visible que nous percevons comme lumière, ultraviolets, rayons X et les rayons gamma.

Le comportement deu 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 uniques, son comportement dépend de la quantité d’énergie par quantum qu’il transporte.

Le REM dans la région de la lumière visible se compose de quanta (appelés photons) qui se trouvent à l’extrémité inférieure des énergies capables de provoquer une excitation électronique au sein des molécules, ce qui entraîne des changements dans la liaison ou la chimie de la molécule. À l’extrémité inférieure du spectre de la lumière visible, le REM 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, qui le changement déclenche la sensation de vision.

Il existe des animaux sensibles à divers 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 augmentés en température par le rayonnement infrarouge. REM 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 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 de photons quantiques, 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 1050 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 couleurs de la lumière, un processus connu sous le nom de photomorphogenèse.

Vitesse de la lumière

(Un nuage éclairé par la lumière du soleil. )

La vitesse de la lumière dans le vide est définie comme étant exactement 299.792.458 m/s. La valeur fixe de la vitesse de la lumière en unités SI résulte du fait que le compteur 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 prend environ 22 minutes pour traverser le diamètre de l’orbite terrestre. Cependant, sa taille n’était pas connue à l’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 fut réalisée en Europe par Hippolyte Fizeau en 1849. Fizeau dirigea 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 alors qu’il se déplaçait de la source au miroir, puis revenait à son origine. Fizeau a constaté qu’à une certaine vitesse de rotation, la poutre traversait un espace dans la roue à la sortie et le prochain espace au retour. Connaissant la distance au miroir, le nombre de dents sur 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 mené une expérience utilisant des miroirs rotatifs 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 une rotation améliorée des miroirs 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 inférieure à celle du vide. Par exemple, la vitesse de la lumière dans l’eau est d’environ 3/4 de celle du vide.

On a dit que deux équipes indépendantes de physiciens mettaient la lumière à un « arrêt complet » en la faisant passer à travers un condensat Bose-Einstein de l’élément rubidium, une équipe de l’Université de Harvard et Rowland Institute for Science à Cambridge, Massachusetts, et l’autre du 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, comme stimulée par une seconde impulsion laser. Pendant le temps qu’il s’était « arrêté », il avait cessé d’être lumière.

Optique

L’étude de la lumière et de l’interaction de la lumière et de la matière s’appelle l’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

(Un exemple de réfraction de la lumière. La paille semble pliée, à cause de la réfraction de la lumière lorsqu’elle entre dans le liquide (l’eau, dans ce cas) à partir de l’air. )

La réfraction est la flexion des rayons lumineux lors du passage à travers une surface entre un matériau transparent et un autre. Il est décrit par la loi de Snell:

n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂.

où θ₁ est l’angle entre le rayon et la normale de surface dans le premier milieu, θ₂ est l’angle entre le rayon et la normale de surface dans le deuxième milieu, et n₁ et n₂ sont les indices de réfraction, n = 1 dans le vide et n > 1 dans une substance transparente.

Lorsqu’un faisceau de lumière franchit la frontière entre un 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 se traduit par un changement de direction du faisceau. Ce changement de direction est appelé réfraction.

La qualité réfractive des lentilles est fréquemment utilisée pour manipuler la lumière afin de modifier la taille apparente des images. Des loupes, des lunettes, des lentilles de contact, des microscopes et des télescopes réfractaires sont tous des exemples de cette manipulation.