C'est quoi la lumière?

La lumière est un sujet riche de recherches et d'applications en optique, en mécanique quantique, en électromagnétisme,... Je vais essayer de vous donner une idée de quelques unes de ses facettes. Pensez à poser des questions dans les commentaires si vous voulez une précision.

1. Optique classique

En optique classique, la lumière est vue comme un rayon qui va tout droit, rebondit ou dévie de sa trajectoire. Pour ceux qui connaissent ou ont envie de creuser, un rayon lumineux respecte la loi de Snell-Descartes : n1 sin(i1) = n2 sin(i2). Voici quelques notions d'optique classique.
1.1 Réflexion : L'image que l'on voit dans un miroir correspond à notre reflet obtenu par la réflexion de la lumière qui s'y projette.
1.2 Réfraction : La réfraction, c'est le fait de "casser" en apparence la trajectoire rectiligne de la lumière. Par exemple, si on regarde un stylo plongé dans un verre d'eau, il nous apparaît "coupé" à la surface de l'eau.
1.2 Lentilles : La plus connue de toutes est la loupe qui grossit les objets que l'on regarde. Mais nos verres de lunettes en sont aussi de bon exemples en corrigeant les défauts de notre œil dont la pupille est une lentille.

2. Optique ondulatoire et électromagnétisme

Seulement voilà, la lumière ce n'est pas qu'un rayon il y a bien quelque chose qui se déplace ! Au moins de l'énergie, parce que le soleil me réchauffe et me fait bronzer. D'ailleurs en parlant de cela, la lumière se déplace toujours à la même vitesse c=299792458 m/s, ce qui fait 1 079 252 848,8 km/h. Plutôt rapide... en fait c'est même ce qui se fait de plus rapide dans l'univers.

2.1 Couleur et onde : La lumière a plusieurs couleurs et pourtant elle garde la même vitesse.  C'est parce que la couleur que nous observons est liée à la fréquence d'oscillation de l'onde lumineuse.  C'est comme si toutes les vagues de la mer avançaient à la même vitesse et que nous voyons les petites en bleus et les grandes en rouges. Notre œil interprète ces différentes ondulations en différentes couleurs.

2.2 Électromagnétisme : Le caractère ondulatoire de la lumière s'exprime au travers de la propagation du champs électromagnétique. Ainsi la lumière se propage de la même manière que les ondes radios de nos téléphones portables. Attention, il ne doit pas y avoir de confusion : la lumière ne contient pas d'électrons mais des photons, il ne faut pas la confondre avec le courant électrique. Nous parlions ici de champs électromagnétique qui se propage comme une onde, les électrons, eux, ne bougent pas.

2.4 Énergie électromagnétique : Pour finir, la fréquence de l'onde en plus de la couleur pour le visible caractérise son énergie. Un peu comme pour le son : les aigus font plus mal à l'oreille que les graves. Plus l'onde oscillera rapidement et plus elle sera énergétique. C'est pour cette raison qu'un photon rouge est moins énergétique qu'un bleu et encore moins que l'ultra violet.

3. Dualité : Photon ou onde ?

Le mot est laché, la lumière est comme une onde électromagnétique composée de photons... et les deux sont très différents, mais alors, c'est quoi la lumière? Une onde ou un photon?

Et là M. X me fait la remarque suivante : "De la lumière, c'est les deux, pardi ! Moi je ne vois pas de problème !"

Quel est le poids d'un photon ? ... ZÉRO ! A ben zut... ca pèse rien donc c'est qu'il n'y a pas de masse mais en même temps c'est quelque chose vu qu'il y a le photon.

M. X : "C'est toujours de la physique ou de la philo là ? Et puis les vagues dans la mer ça fait pareil avec l'eau !"

Ça peut aider de penser à cela pour se familiariser avec la mécanique ondulatoire mais le photon et son onde sont la même chose... c'est bien ça le problème. Plus d'onde => plus de photon et pas d'onde => pas de photon. Alors que la mer sans vague ca existe : de l'eau salée.

M. X : "Mais d'où ils viennent ces photons qui sont des particules-ondes de rien ?"

4. Quantique

Pour comprendre cela les chercheurs tels que DeBroglie, Planck, Einstein et bien d'autres, ont découvert la mécanique quantique par tâtonnement. A ce moment, ils ont mis le doigt sur quelque-chose de révolutionnaire. Toutes ces ondes qui composent les photons vibrent de manière précise en respectant des règles d'interaction avec la matière. Par exemple, l'énergie contenue dans un électron d'un atome peut se transformer en photon, de même qu'un photon peut se transformer en énergie contenue dans l'électron.

M. X "T'es bien gentil coco avec tes histoires mais moi je crois que ce que je vois..."

Pas de problème... prenons l'effet photo-électrique. En gros, en balançant des photons de fréquence particulière (avec un laser) sur une plaque de fer, les électrons de la plaque de fer vont avoir tellement d'énergie qu'ils vont être libérés de l'atome, créant ainsi un courant électrique. Mais là où la mécanique quantique fait fort, c'est qu'elle détermine la "couleur" à appliquer. A vrai dire on ne parle plus de couleur mais de longueur d'onde, inverse de la fréquence.

Ainsi la fréquence doit être particulière, et cela parce qu'il faut une quantité précise d'énergie à l'électron pour se libérer. On peut imaginer une contrainte telle que l'électron devant onduler autour de l'atome en conservant la même trajectoire. Comme on le voit sur le dessin ci-contre, ce n'est pas évident et dans l'image ce n'est d'ailleurs pas le cas. Pour que cette contrainte soit respectée, l'électron doit donc suivre certaines orbitales (trajectoires) et il faut un photon suffisamment énergétique pour propulser l'électron sinon le photon rebondit et ne se transforme pas en énergie. Ah oui, balancer plusieurs faibles photons ce n'est pas la même chose qu'un seul photon puissant et l'électron ne se fait pas avoir... il distingue bien ces corpuscules. C'est donc difficile de réunir les conditions pour observer ceci et ça me rassure, car les photons vont continuer à rebondir sur mon miroir au lieu de se transformer en énergie libérant les électrons de la matière.

M.X : "J'ai pigé, il faut un photon avec une énergie en quantité suffisante pour faire apparaître ce phénomène physique. D'où le nom de physique Quantique !"

5. Revenons à la lumière

La lumière est un photon et en même temps une onde électromagnétique. Suivant sa fréquence de propagation elle peut être visible. En plus de tout cela, l'onde peut avoir une forme particulière et c'est ce que l'on appelle la polarisation optique. On s'en sert dans le cinéma 3D,... lire l'article

Références

[1] Wikipedia, La lumière.
[2] Wikiversity, Optique géométrique.