La lumière
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La lumière
Le sommaire
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Un monde en noir & blanc
Un monde en niveaux de gris
Un monde en couleurs
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Le champ visuel
« Que la lumière soit! »
Lorsque la salle s’obscurcit, c’est la lumière qui vous annonce que le film va commencer. C’est elle également, lorsque son intensité augmente, ou au contraire diminue, qui annonce le début d’un concert. C’est elle encore, au moment où on l’éteint, qui vous annonce que l’on va servir le gâteau d’anniversaire. Et dans la Bible, c’est encore elle qui est au commencement du monde.
Les cours
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La lumière est au commencement de beaucoup de choses. Et ce n’est pas par hasard que c’est elle, justement, qui ouvre les articles de cette plateforme: la lumière est le fondement de nombre de concepts. C’est grâce à elle que l’on perçoit la couleur. Et que l’on peut comprendre comment fonctionne votre écran. Ou même votre imprimante. Elle est la base pour comprendre la photographie. Ou ne serait-ce que pour comprendre comment il vous est possible de voir…
Sans lumière, il n’y a pas de couleur, pas de vision, pas d’écran, pas d’imprimante, pas de graphisme, pas de photographie. Et si vous voulez comprendre la couleur, il vous faut d’abord comprendre la lumière…
« Au commencement, Dieu créa les cieux et la terre. La terre était informe et vide: il y avait des ténèbres à la surface de l’abîme, et l’esprit de Dieu se mouvait au-dessus des eaux. Dieu dit: Que la lumière soit! Et la lumière fut. »
Lumière [lymjɛʀ] • n.f. • Du latin luminaria, «éclairage». Rayonnement dont la longueur d'onde, comprise entre 400 et 780 nanomètres, correspond à la zone de sensibilité de l'œil humain (entre l'ultraviolet et l'infrarouge).
La dualité onde-corpuscule
Des ondes & des particules
«Et la lumière fut.»
Qu’est-ce que la lumière? Cette question, nombre de physiciens se la sont posée. Et ils sont longtemps restés en désaccord sur les différentes réponses à lui donner.
Christian Huygens, un physicien néerlandais, fut le premier à émettre une théorie selon laquelle la lumière serait composée d'ondes. Et la discorde commença très vite, lorsque Isaac Newton lui opposa une théorie qui considérait la lumière comme un flot de petites particules, appelées également «corpuscules».
C’est là, dans ces débats qui remontent au XVIIe siècle déjà, que s’affrontèrent deux théories: certains considéreraient la lumière comme une onde -la théorie ondulatoire- et d’autres comme un flot de microscopiques particules lumineuses: la théorie des particules/corpuscules.
C’est là, dans un débat remontant aussi loin que le XVIIe siècle, que l’idée de dualité onde-particule prend ses racines…
Huygens • Théorie ondulatoire de la lumière
Newton • Théorie corpusculaire de la lumière
Aujourd’hui, près de 400 ans plus tard, nous tendons à dire que parfois la lumière est composée de particules - les fameux photons - et parfois d’ondes. Oui, la lumière est un paradoxe. Certaines théories scientifiques ne fonctionnent en effet que si nous partons du fait que la lumière est une onde. Et d’autres, à l’inverse, que si nous stipulons que la lumière est composée de particules.
C’est Einstein, il y a à peine une centaine d’années, qui a finalement proposé une conclusion des plus intéressante, connue sous le nom de «la dualité onde-corpuscule»: la lumière serait à la fois des ondes et des particules. Deux choses totalement incompatibles; et pourtant! Oui, ce n’est sans doute pas par hasard que les physiciens sont pour la plupart chauves: c’est en s’en arracher les cheveux! C’est normal me direz-vous; nous sommes aux prémices de la physique quantique!…
Les ondes
Les ondes lumineuses
Onde • Amplitude & longueur d’onde
En ce qui nous concerne, nous allons considérer la lumière comme une onde.
Mais qu’est-ce qu’une onde?…
Nous avons tous en tête le schéma d’une onde. Elle se définit par son amplitude (sa hauteur), et sa longueur d’onde (la distance entre deux de ses sommets). Mais concrètement, une onde c’est quoi?…
1. Les ondes mécaniques
La meilleure façon de se représenter une onde est ce qu’il se passe dans un étang lorsque vous y jetez un caillou: des vagues vont se propager à sa surface. Imaginez maintenant une petite bouée sur ce même étang. Lorsque les vagues vont arriver à sa hauteur, la bouée va monter et descendre au rythme des vagues… mais elle va rester sur place!
La réalité est que ce n’est pas l’eau qui se déplace, mais uniquement la vibration! Lorsque vous jetez le caillou dans l’eau, vous créez une vibration, qui va se propager dans l’étang. La vibration va se déplacer et faire bouger la bouée, mais l’eau ne se déplace pas! C’est uniquement le mouvement, la vibration, qui se déplace. C’est le déplacement d’une perturbation (secousse, vibration, etc.) dans la matière.
Les ondes • Propagation d’une onde à la surface d’un étang
Mais allons un peu plus loin: en réalité, les ondes sont des déplacements d’énergie.
Lorsque vous jetez le caillou dans l’eau, c’est cette même énergie que vous voyez se déplacer; vous avez pris le caillou au sol, vous l’avez levé à une certaine hauteur, vous l’avez lancé à une certaine vitesse: tout ceci lui a fourni de l’énergie (énergie fournie par vos muscles) que vous voyez ensuite à la surface de l’étang: ce n’est pas l’eau qui se déplace, mais l’énergie. Et en l’occurrence, de l’énergie sous forme de mouvement. Et arrivé à hauteur de la bouée, c’est cette même énergie (mouvement) qui va l’agiter…
Onde [n.f.] • Une onde est une propagation d'une perturbation. C’est la déformation d’un milieu qui se propage à partir d’un point, créant ainsi le déplacement d’une vibration. Elle transporte de l'énergie, sans transporter de matière.
Les vagues sont donc des ondes. Et plus précisément, des ondes mécaniques. On les appelle ainsi, car elles mettent en mouvement leur support (les vagues agitent l’eau, les tremblements de terre secouent le sol) et l’énergie est transmise par ce mouvement.
Mais si les ondes mécaniques ne se propagent que dans de la matière (eau, air, sol, etc.), qu’en est-il de la lumière? La lumière du soleil se déplace pourtant dans l’espace pour arriver jusqu’à nous: alors comment la lumière fait-elle pour se propager dans la vide?…
#Le saviez-vous?
Vous mangez, et votre corps transforme une partie de vos aliments en énergie, et le stock éventuellement sous forme de graisse. Lorsque vous soulevez le cailloux, vos muscles brûlent des calories, et vous permettent de le lever. Lorsque le cailloux est au sol, il ne possède pas d’énergie. Lors vous le soulevez, il acquiert une certaine quantité d’énergie: il est en hauteur. Désormais, si vous le lâchez, il va tomber, prendre de la vitesse, et fera un petit impact au sol: vous lui avez donné de l’énergie. Lorsque vous le lancez, vous lui donnez encore plus d’énergie: en plus de la hauteur, il a désormais de la vitesse. Et au moment ou celui-ci plonge dans l’étang, elle se transforme à nouveau et se matérialise sous forme d’onde de choc sur l’étang. L’énergie de l’onde provient donc de l’énergie du caillou (sa vitesse), qui provient de l’énergie de vos muscles (qui eux-même donnèrent au caillou son énergie en brûlant vos calories), et ainsi de suite… D’ailleurs, savez-vous que la «calorie» est une unité de mesure d’énergie? C’est l’unité de mesure de la valeur énergétique des aliments.
2. Les ondes électromagnétiques
Si la lumière peut se propager dans le vide, c’est parce qu’il s’agit d’un autre type d’ondes: les ondes électromagnétiques. Électromagnétique?
L’électromagnétisme est simplement un domaine de la physique qui étudie à la fois l’électricité (électro-) et le magnétisme (-magnétique), et les liens entre les deux. Les ondes électromagnétiques sont donc des ondes qui se rapportent au champ électrique (le courant électrique, etc…) et au champ magnétique (les aimants, le champ magnétique terrestre, etc…)
Le champ électrique • Les charges électriques se déplacent toujours d’un pôle positif «+» vers le pôle négatif «-», comme dans une pile électrique, ou une batterie.
Le champ magnétique • Le champ magnétique se crée entre un pôle «nord» et un pôle «sud». Les pôles de natures différentes s'attirent, et ceux de même nature se repoussent, comme les aimants, ou même comme le champ magnétique terrestre sur lequel sont basées les boussoles.
#Le saviez-vous?
Le terme de «champ» introduit une notion d’espace, de zone. Quand on parle d’un champ de blé, nous parlons d’une zone, une étendue de blé. Lorsque l’on parle de champ de vision, nous pensons à la zone, l’étendue visible par l’oeil. Lorsque l’on parle du champ chromatique bleu, nous pensons à toutes l’étendue des différents bleus, du bleu presque vert au bleu presque violet. Lorsque l’on parle du champ des neurosciences, nous parlons du domaine, de toute l’étendue de cette branche. Et en physique c’est pareil: le champ électrique est l’espace, la zone où s’exerce des forces associées à des charges électriques. Et le champ magnétique définit une région de l'espace soumise à l'action d'une force magnétique…
1. Le spectre électromagnétiques
Il existe une multitude d’ondes électromagnétiques, certaines ayant des longueurs d’ondes très petites, et d’autres immenses. On regroupe toutes ces ondes dans ce que l’on appelle le spectre électromagnétique.
Le spectre électromagnétique est l'ensemble des rayonnements électromagnétiques, classés habituellement par fréquence ou longueur d'onde. Pour des raisons physiques et historiques, on le divise en plusieurs grandes classes de rayonnement (rayons X, ultraviolet, infrarouge, etc.).
La plupart du spectre électromagnétique est invisible pour l’homme, excepté une une très étroite partie, dénommée spectre visible, ou spectre lumineux.
2. Le spectre visible
Les limites du spectre visible s’étendent environs de 380 à 780 nanomètres. Ces limites ne sont pas clairement définies, la sensibilité visuelle de chaque individu variant légèrement.
Spectre lumineux (ou spectre visible) • 380-780 nm
#Le saviez-vous?
Les limites du spectre visible ne sont pas clairement définies. Pourquoi? Parce que chaque humain n’a pas la même sensibilité aux couleurs. Même si les différences sont minimes, certaines personnes voient légèrement plus loin dans les ultraviolets, ou les infrarouges; non, nous ne voyons pas tous exactement les mêmes couleurs. De plus, cette sensibilité change avec l’âge… ou les espèces. Les abeilles, par exemple, voient très bien les ultraviolets; ce que nous sommes incapables de faire. Et le spectre de vision du chien est beaucoup plus étroit que le nôtre: il se limite au jaune et au bleu pour un résultat qui est plus proche d’une vision monochromatique que d’une vision colorée. Et si, au delà de 780nm, les être humains ne sont plus capables de voir les rayonnements infrarouges, nous les percevons néanmoins. Pas de super-pouvoirs hélas, mais nous percevons ces rayonnements sous forme… de chaleur! Lorsque vous bronzez à la plage, et que vous “sentez” le soleil sur votre peau, ce n’est pas une figure de style: vous sentez réellement les rayons infrarouges…
To be continued…
FOR #20200105
