mercredi 20 janvier 2010

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.

15 comments:

Anonyme a dit…

juste un truc qui me semble faut:
"rouge" "infrarouge"=chaud
"bleu" "ultraviolet" = froid
c'est l'inverse ;plus la longueur d'onde va être faible,et plus la "couleur" va être chaude (bah oui,les rayons lasers rouges te découpent pas,les bleu si ^^)

Julien a dit…

Il y avait une erreur concernant l'énergie des photons rouges ou bleus.

Merci pour la remarque.

Anonyme a dit…

la lumière ne contient pas d'électrons ?
mais pourquoi ??

Julien a dit…

Pourquoi la lumière n'est pas faite d'électrons? La réponse la plus simple est parce que l'électron ne peut pas aller aussi vite que la lumière. C'est comme se demander pourquoi la flotte airbus n'est pas fait d'ULM.

"La lumière ne contient pas d'électrons mais des photons" cela peut paraitre évident mais je me rappelle plus jeune m'être dit que la nature était étrange car pour moi l'électron représentait l'électricité. Alors pourquoi nous rajouter un photon?

D'abord, photon et électron sont des particules élémentaires. D'un point de vue pratique, la différence est "simple" :
- le photon représente l'onde électromagnétique , il se déplace a la vitesse de la lumière et il n'a pas de masse.
- l'électron représente la charge électrique, sa vitesse est variable mais toujours inférieure a celle de la lumière et il a une masse.

D'un point de vue théorique le photon est un boson de spin 1 et l'électron est un fermion de spin 1/2. Ces deux particules très différentes ne respectent pas les même distribution statistiques.

Pauline a dit…

Donc la lumière est comparée à une onde EM, mais n'en est pas une ?

Car électromagnétique = champ magnétique + électrique ! Et champ électrique contient des électrons !

Julien a dit…

C'est presque cela.

Oui, la lumière est une onde électromagnétique.

Oui une onde électromagnétique est composé d'un champs électrique et d'un champs magnétique.

Mais non un champs électrique ne contient pas d'électron.

Pour te donner une idée de ce qu'est un champs électrique, imagine un champs de blé. Lorsqu'il n'y a aucun vent les tiges sont dressées vers le ciel. Maintenant si le vent souffle, les tiges de blés vont s'incliner.

Regarde cette vidéo : http://www.youtube.com/watch?v=ZTgxTabBPMY

Tu as l'impression qu'il y a des vagues dans le champs de blé : c'est une onde.

Mais tu es d'accord pour dire que les tiges de blé restent a leur position (elles sont enracinées dans la terre).

Sous l'effet d'une onde électromagnétique, les électrons vont vibrer sur place mais ils ne bougeront pas forcément.

Anonyme a dit…

ton cartoon est bien !

Julien a dit…

Merci

Anonyme a dit…

exepliquez moi comment la lumiere va tout droit ?

Julien a dit…

Ce sera un bon article! Mais discutons un peu des idées expliquant ce comportement. Dis moi si tu comprend ou pas, ca va m'aider a améliorer l'article pour les prochains.

La lumière est composée de photons qui sont des particules. Elle possède donc une quantité de mouvement (mv=p=hk/2pi). Il font donc interagir avec pour la faire tourner.

C'est comme une voiture sur l'autoroute, si tu ne tourne pas le volant(interaction), elle continue tout droit. Si tu n'interagis pas avec les photons, ils vont tout droit.

Après il faut comprendre ce que veut dire "tout droit". A l'échelle d'un laboratoire, quand on fait une expérience avec un laser, l'idée que le chemin est une droite parfaite est très bonne. Mais lorsque l'on considère la lumière qui traverse l'univers, il faut prendre en compte la relativité générale d'Einstein.

Il y a deux théorie de la relativité : spéciale (contraction des longueurs et dilatation du temps) et générale (déformation de l'espace-temps). Ici nous nous intéressons a la deuxième.

En relativité générale, tout droit veut dire "plus facile" ou "plus court". C'est a dire que si tu descend d'une montagne en suivant une rivière, il est plus facile de rester le long de la rivière que de suivre un chemin tout droit qui te forcerait a remonter a gauche ou a droite le flan de montagne. Ainsi, tu suis la forme du terrain pour prendre le chemin qui descend tout le temps : "le plus court".

La relativité générale explique que l'espace se déforme, de sorte que le chemin le plus court entre deux point n'est plus une droite parfaite mais une géodésique. La lumière suis alors ce plus court chemin nécessitant le moins d'action de sa part. Tu peux t'intéresser au principe de moindre action de la mécanique Lagrangienne (Landau) cela peut expliquer pas mal de choses...

Amine a dit…

question bête : l'air qui nous entoure possède des électrons ?

les communications radios (gsm,wifi, bluetooth,etc) ne devraient pas marcher dans l'espace ???

Julien a dit…

Il n'y a pas d'électrons libres dans l'air, sinon ce serait un plasma (Voir l'article Qu'est-ce qu'un plasma). Par contre les atomes de l'air sont fait d'électrons et d'un noyau comme les atomes d'une table.

Dans le vide, les ondes électrostatiques ne peuvent pas exister car elles nécessitent de déplacer des électrons absents. Par contre, si j'ai bien compris, une onde électromagnétique peut exister dans le vide car elle est porté par ce couplage(E,B) qui correspond aux photons.

Mais l'espace, ce n'est pas que du vide, il y a beaucoup de plasma. Et suivant les caractéristiques du plasma, certaines ondes vont passer ou être absorbées (c'est pourquoi lors d'une ré-entrée atmosphérique il n'y a pas de communication possible pendant 2min).

Anonyme a dit…

Est ce que vous pourriez me donner deux grandeurs caractéristiques d un phénomène ondulatoire et un corpuscule et son énergie

Anonyme a dit…

En quoi la lumière se transformerait pour survivre si elle se sentait mourir, comme l'eau froide qui bouille se transforme en vapeur avec les structures dissipatives?
La lumière se transforme sûrement en quelque chose, mais c'est quoi qui serait en lien avec lumière comme l'eau avec la vapeur? As-tu quelque chose qui te viens?

Kath a dit…

Désolé pour la question très infantile, mais comment apparaît la lumière ? Quand on allume une ampoule , quel est le phénomène que se produit (du point de vue quantique) pour que la lumière apparaisse ? On sais qu'elle est aussi bien qu'une onde et/ou photon, mais elle "apparaît" par quel mécanisme quantique ?
Quelqu'un a expliqué que c'est le changement d'orbite des électrons autour du noyau atomique que produit "l'étincelle" de lumière (???)
J'aimerais beaucoup être éclairé sur ce sujet !!
Bien amicalement

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