lumière

(latin ecclésiastique luminaria, du latin classique lumen, -inis)

Rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde, comprise entre 400 et 780 nm, correspond à la zone de sensibilité de l'œil humain, entre l'ultraviolet et l'infrarouge.

OPTIQUE

1. Historique de la notion de lumière

1.1. Les conceptions antiques et médiévales de la lumière

La théorie de la lumière a introduit, tout au long de l'histoire des sciences, un questionnement fondamental sur la nature des objets que la physique étudie : ondes ou particules ? Dans les premières descriptions mythiques du monde, la lumière est une sorte de « brume claire », opposée à la « brume sombre » des ténèbres qui, le soir, montent du sol. Puis les Grecs commencent à s'interroger sur la nature physique du monde. Parménide, remarquant que la partie brillante de la Lune est toujours tournée vers le Soleil, en déduit que la lumière vient du Soleil, c'est-à-dire qu'elle se déplace. Les ténèbres, elles, sont une absence de lumière. La propagation de la lumière est expliquée par l'émission de petites particules, conception qui sera largement développée au Moyen Âge. Pour Aristote, les couleurs résultent d'un mélange de lumière et d'obscurité.

1.2. Les premières théories scientifiques de la lumière

1.2.1. La lumière selon Descartes, Huygens et Malebranche

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Au début du xvii^e s., avec R. Descartes, s'amorce vraiment une théorie scientifique de la propagation de la lumière. Si Descartes conçoit la lumière comme un ébranlement d'une matière subtile se transmettant instantanément, donc avec une vitesse infinie et sans transport de matière, on rencontre aussi chez lui une conception corpusculaire. Ces idées seront reprises et améliorées par deux théories longtemps rivales : la théorie ondulatoire et la théorie corpusculaire.

La première ne reçoit un véritable développement scientifique qu'avec C. Huygens. Selon celui-ci, chaque point d'une surface lumineuse émet une onde sphérique qui se propage à une vitesse finie dans un milieu non vraiment matériel, l'éther, d'une manière analogue au son. Huygens explique ainsi les phénomènes de réflexion de la lumière, de réfraction (déviation d'un rayon lumineux lors de son passage d'un milieu à un autre), etc. (→ optique). Toutefois, sa théorie ondulatoire ignore les notions de fréquence et d'amplitude des vibrations lumineuses et donc n'explique ni la diversité des couleurs, ni les phénomènes d'interférence, ni la propagation rectiligne de la lumière.

Au début du xviii^e s., N. de Malebranche, partisan lui aussi de la théorie ondulatoire présente une conception plus précise des vibrations lumineuses de l'éther et de leur fréquence qu'il distingue de leur amplitude, ce qui le conduit à la reconnaissance de la diversité continue des couleurs. Mais, pour lui, comme pour Huygens, la vibration est longitudinale.

1.2.2. La lumière selon Newton

La théorie de la lumière d'I. Newton est mixte, bien qu'y domine l'explication corpusculaire, qui sera la source d'une vive polémique avec R. Hooke, défenseur de la pure théorie ondulatoire. Pour Newton, la lumière est constituée par des corpuscules qui se déplacent dans l'éther à une vitesse finie, où ils produisent des vibrations. Comme Malebranche, il introduit la notion de fréquence variant avec les couleurs, mais, à la différence de celui-ci, il ne la distingue pas clairement de l'amplitude des vibrations. Cette fréquence est expliquée par la variation du comportement des corpuscules durant leur parcours, et la diversité des couleurs, par des différences de taille des corpuscules. La théorie corpusculaire de Newton rend bien compte de la propagation rectiligne de la lumière, mais ce n'est que par des raisonnements mécaniques imaginatifs et peu scientifiques qu'il explique la diffraction (phénomène typiquement de nature ondulatoire).

1.3. L'optique moderne

C'est seulement au début du xix^e s., avec T. Young, qu'est introduit le principe fondamental d'interférences des ondes lumineuses, au cours de l'expérience dite des « fentes de Young », qui constitue une preuve patente du caractère ondulatoire de la lumière. Cette théorie ne sera vraiment développée que par A. Fresnel, qui substitue, le premier, la vibration transversale à la vibration longitudinale. Toutefois, à la même époque, de nombreux savants demeurent attachés à la théorie corpusculaire, principalement Laplace et J.-B. Biot, qui la défendent sur la base de la mécanique newtonienne. Mais, lorsque les mesures de H. Fizeau (1849) et de L. Foucault (1850) démontrent, ainsi que l'avait prévu Fresnel, que la lumière se propage plus vite dans l'air que dans l'eau, la théorie corpusculaire, qui affirmait le contraire, est abandonnée.

En 1865, J. C. Maxwell établit la nature électromagnétique de la lumière, théorie que H. A. Lorentz développe à la fin du xix^e s., démontrant notamment que l'on peut expliquer la réflexion et la réfraction par les théories électromagnétiques de Maxwell.

1.4. La conception quantique de la lumière

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Avec la découverte du photon et l'interprétation de l'effet photoélectrique par A. Einstein en 1905, et avec la mécanique ondulatoire de L. de Broglie en 1924, qui associe onde et corpuscule, les deux théories – corpusculaire et ondulatoire – se trouvent « réconciliées », mais sous un mode qui les modifie l'une et l'autre. Comme toute révolution scientifique, celle-ci entraîne un dépassement des théories précédentes. Aujourd'hui, dans le cadre de la physique quantique, le photon n'est plus ni une onde ni une particule mais un quanton, objet d'étude de la théorie quantique. Cependant, lorsque celle-ci peut être approchée par la théorie classique, un quanton manifeste un comportement soit corpusculaire (effet photoélectrique), soit ondulatoire (interférences lumineuses). La théorie quantique relie les aspects corpusculaire et ondulatoire de la lumière par la relation E = hν = hc/λ (l'énergie d'un photon E est proportionnelle à la fréquence ν de l'onde (ou inversement proportionnelle à la longueur d'onde λ) qui lui est associée, h étant la constante de Planck dont la valeur est 6,626 176 × 10⁻³⁴ J s et c la célérité de la lumière).

2. Sources et récepteurs de lumière

Les grandeurs photométriques (relatives à la lumière) usuelles sont l'intensité lumineuse, le flux lumineux, la luminance et l'éclairement, les unités correspondantes étant la candela, le lumen, la candela par mètre carré et le lux.

2.1. Les sources primaires de lumière

Les sources primaires produisent de la lumière par elles-mêmes en convertissant de l’énergie (chimique pour les bougies, électrique pour les lampes, nucléaire pour les étoiles) en énergie lumineuse.

2.2. Les sources secondaires et la diffusion de la lumière

Les sources secondaires sont des objets éclairés qui renvoient dans toutes les directions une partie de la lumière qu’ils reçoivent (la Lune, les planètes, les objets qui nous entourent) : on dit que la lumière est diffusée par l’objet. Seuls les objets totalement noirs ne réfléchissent pas de lumière.

2.3. Les récepteurs de lumière

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L’œil humain est un récepteur de lumière particulièrement sophistiqué : il s’adapte aux conditions de luminosité, permet de voir de près comme de loin et distingue les couleurs. Mais il en existe de plus simples comme la pellicule d’un appareil photo (photographie) qui convertit la lumière en énergie chimique, ou une cellule photoélectrique qui convertit la lumière en signal électrique (capteur, CCD).

3. Propagation de la lumière

Le trajet de la lumière dans un milieu peut être représenté par un segment de droite appelé rayon lumineux. La lumière se propage en ligne droite dans les milieux homogènes (les milieux qui ont la même composition en tout point) ; si le milieu est également transparent (comme l’eau, l’air, le verre, etc.), la lumière se propage en ligne droite sans être atténuée, ou très peu. Néanmoins, l'intensité lumineuse par unité de surface diminue avec le carré de la distance à la source. Lorsque la lumière rencontre un corps, elle est absorbée, réfléchie ou transmise (l'un des cas n'excluant pas les autres).

3.1. Diffusion et réflexion de la lumière

Lorsqu’elle rencontre un objet, la lumière est partiellement diffusée par cet objet (qui devient une source secondaire de lumière) : c’est la réflexion de la lumière. La lumière réfléchie par une surface irrégulière est renvoyée dans toutes les directions. Certaines fréquences sont réfléchies plus fortement que d'autres, donnant ainsi aux objets leur couleur caractéristique. Les surfaces blanches réfléchissent la lumière de façon égale pour toutes les longueurs d'onde ; les surfaces noires absorbent pratiquement toute la lumière.

3.2. Absorption et réfraction de la lumière

L’autre partie du rayon lumineux est absorbée par l’objet. Si l’objet est opaque, la lumière absorbée ne peut traverser l’objet. Si l’objet est translucide ou transparent, une partie de la lumière absorbée traverse l’objet en changeant généralement de direction : c’est la réfraction de la lumière. C’est la raison pour laquelle il est difficile de déterminer l’emplacement exact d’un objet plongé dans l’eau : il semble plus proche de la surface qu’il ne l’est vraiment, du fait de la réfraction des rayons lumineux.

4. Interaction lumière-matière

4.1. Niveaux d’énergie des atomes

Au début du xx^e siècle, la physique quantique transforme radicalement la vision que l'on a jusque-ici de l'énergie ainsi que de la matière. En effet, dans un atome, les électrons gravitent autour du noyau. Chaque électron possède une énergie qui est d’autant plus faible qu’il se trouve proche du noyau. Par définition, l’énergie de l’atome est égale à la somme des énergies de tous ses électrons. Ainsi, l’énergie qui était jusque-ici considérée comme une grandeur continue, devient discontinue à l’échelle atomique : Niels Bohr parle de quantification de l’énergie des atomes dès 1913.

Pour représenter les différents niveaux d’énergie associés à un atome, on utilise un diagramme avec un axe vertical où sont spécifiés les niveaux d’énergie associés à l’atome : l’état de plus basse énergie est appelé état fondamental ; les états d’énergie supérieurs sont des états excités. À chaque état est associé une énergie (notée E) : l’atome ne peut prendre que des niveaux d’énergie bien déterminés (E₁, E₂, E₃, E₄…).

4.2. Émission ou absorption d’une radiation par un atome

Pour passer d'un niveau d'énergie à un autre, un atome doit absorber un photon dont l’énergie est exactement égale à la différence d’énergie ΔE entre l’énergie de l’état excité et l’énergie de l’état fondamental. Si l’énergie du photon est supérieure ou inférieure à la différence d’énergie, l’atome ne peut pas absorber le photon et reste dans son état d’énergie fondamental :

Prenons l’exemple de la transition entre le niveau 1 (fondamental) et le niveau 2. Pour être absorbé, le photon doit avoir une énergie E strictement égale à la différence entre E₂ et E₁ :

E = E₂ – E₁ = hν, soit E = ΔE = hν.

Tous les photons qui ne possèdent pas cette énergie ne pourront pas être absorbés par l’atome et la transition de niveaux d’énergie ne se fera pas.

Inversement, un atome (ou une molécule) excité(e) retourne à son état fondamental (ou à un état d’énergie inférieur) en émettant un photon dont l’énergie est exactement égale à la différence d’énergie ΔE entre l’énergie de l’état excité de départ et l’énergie de l’état fondamental (ou d’un état d’énergie inférieur).

5. Spectres lumineux

Produite par incandescence ou par luminescence, la lumière est généralement composée d'une infinité de radiations de longueurs d'onde (ou de fréquences) différentes, dont l'ensemble constitue le spectre lumineux. Le spectre d’une lumière peut être obtenu en décomposant cette lumière à l’aide d’un prisme. Lors de la traversée du prisme, la lumière est déviée par réfraction. Chaque radiation lumineuse constituant la lumière est déviée différemment selon sa longueur d’onde, formant ainsi le spectre de cette lumière.

5.1. Les spectres d’émission

En fonction de la source lumineuse, le spectre d’émission sera continu pour des solides et des liquides chauffés (le filament d’une lampe par exemple) ou discret (spectre de raies) pour des gaz portés à haute température (une lampe à vapeur de mercure par exemple). Les raies d’émission sont caractéristiques des éléments chimiques présents dans le gaz.

Si le spectre obtenu est constitué de plusieurs radiations lumineuses, il s’agit d’une lumière polychromatique (lumière émise par une lampe à incandescence par exemple). En revanche, si la lumière n’est constituée que d’une seule radiation lumineuse, il s’agit alors d’une lumière monochromatique (lumière émise par un laser par exemple).

5.2. Les spectres d’absorption

L'étude d'un spectre (spectrométrie) renseigne ainsi non seulement sur la nature chimique de la source, mais aussi sur la nature du milieu traversé par la lumière, qui absorbe certaines radiations. Le spectre de la lumière ayant traversé ce milieu est appelé spectre d’absorption : les raies noires représentent les radiations absorbées. Elles sont caractéristiques des éléments chimiques présents dans le gaz. Le spectre d’absorption et le spectre d’émission d’un même élément chimique sont complémentaires (voir les spectres d’absorption et d’émission du mercure). En effet, les raies d’absorption et d’émission d’une même espèce chimique ont la même longueur d’onde : un élément chimique absorbe les radiations qu’il est capable d’émettre.

Par exemple, l’analyse du spectre de la lumière provenant du Soleil a permis d’identifier les éléments chimiques présents dans l’atmosphère solaire : toutes les raies noires observées correspondent aux radiations absorbées par les atomes présents. Cette analyse, réalisée dès 1814 par J. von Fraunhofer, puis complétée successivement par R. Bunsen et G. Kirchhoff (en 1851) a permis de trouver les éléments chimiques responsables des raies noires du spectre solaire (476 raies au total). En particulier, ces travaux ont mené à la découverte en 1868 d’un élément chimique encore inconnu à cette époque sur Terre : l’hélium. Cette méthode d’analyse spectroscopique est encore utilisée pour étudier l’atmosphère des étoiles.

6. La vitesse de la lumière

La lumière se déplace à une vitesse finie. Par exemple, la lumière émise à la surface du Soleil met environ 8 minutes pour parvenir jusqu'à nous, autrement dit elle se déplace à une vitesse d'environ 300 000 kilomètres par seconde dans le vide. À l’échelle humaine, cette vitesse est vertigineuse – les sondes spatiales envoyées dans l’espace ne se déplacent qu’à environ 20 km/s ; mais à l’échelle de l’Univers, elle devient « manipulable » : il faut par exemple 4 ans à la lumière de l'étoile la plus proche du Soleil (Proxima Centauri) pour nous parvenir et plus de 2 millions d'années pour celle émanant de la galaxie d'Andromède…

La vitesse (ou célérité) de la lumière dans le vide est une constante fondamentale de la physique : c = 299 792 458 m/s. Le premier à montrer expérimentalement que la lumière se déplace à une vitesse finie fut l'astronome O. Römer, en 1676, à partir d'observations des éclipses de certains satellites de Jupiter réalisées à l'Observatoire de Paris. Les premières déterminations précises de la vitesse de la lumière ont été effectuées au xix^e s. par H. Fizeau (1849) et L. Foucault (1850). En 1887, les physiciens américains A. Michelson et E. Morley réalisèrent une expérience qui fit date dans l’histoire des sciences : leur objectif était de comparer par interférométrie la vitesse de la lumière se propageant dans le sens de révolution de la Terre et perpendiculairement à ce mouvement, de manière à mettre en évidence l’existence de l’éther dans lequel était censée se déplacer la lumière (comme le son dans l’air). Les résultats de l’expérience de Michelson-Morley permirent d’affirmer que la vitesse de la lumière était la même dans toutes les directions. Cette invariance de la vitesse de la lumière fut interprétée par certains physiciens comme une preuve de l’inexistence du fameux éther. En 1905, A. Einstein interpréta cette expérience dans le cadre de sa théorie de la relativité restreinte : la vitesse de la lumière est indépendante du référentiel, c’est une constante universelle de la physique.

Ainsi, quand une source de lumière s'approche ou s'éloigne, la lumière qui parvient à l'observateur a toujours la même vitesse, mais sa fréquence augmente ou diminue : c’est l’effet Doppler-Fizeau. Cet effet permet notamment de mesurer la vitesse d'éloignement des galaxies dans l'Univers (mesure de décalage vers le rouge ou redshift en anglais).

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Par ailleurs, si la vitesse de la lumière c est invariante dans le vide, elle décroît dans les milieux matériels, ce qui se manifeste par un changement de l'indice de réfraction (noté n) en fonction du milieu (n = c/v, où v est la vitesse de la lumière dans le milieu considéré). Par exemple, la vitesse de la lumière est d’environ 225 000 km/s dans l’eau, de 200 000  km/s dans le verre, le diamant à 125 000 km/s, etc. De plus, l’indice de réfraction (et donc la vitesse) dépend également de la longueur d'onde de la lumière : le bleu est plus dévié que le rouge… Ceci explique la dispersion de la lumière blanche dans un prisme ou dans les gouttes d'eau d'un arc-en-ciel.

Enfin, la vitesse de lumière (et l’indice de réfraction) dépend également de la température du milieu traversé : par exemple, dans l’expérience réalisée en 2000 par Lene Hau (université de Harvard, États-Unis), la vitesse de la lumière traversant un condensat de Bose-Einstein (milieu particulier dans lequel les atomes sont refroidis à une température très proche du zéro absolu, environ –273 °C) a été ralentie à 1,5 km/h.

7. Applications de la lumière

L'énergie du rayonnement lumineux peut être convertie en énergie thermique (fours solaires, effet de serre, etc.), en énergie chimique (photosynthèse, réactions photochimiques utilisées en photographie argentique) et surtout en énergie électrique (cellules photoélectriques, photopiles). L’énergie solaire constitue d’ailleurs une source d’énergie renouvelable intéressante pour répondre au défi énergétique de cette fin de siècle, en raison de l’épuisement rapide des énergies fossiles.

Par ailleurs, la lumière peut être amplifiée et rassemblée en un étroit faisceau dit cohérent, formant la lumière laser, utilisée dans l’ensemble des domaines de la recherche fondamentale (médecine, astrophysique, métrologie, etc.) ainsi que dans l’industrie (lecture de DVD ou de code-barres, découpe de matériaux, armement, etc.).

BOTANIQUE

Comme source d'énergie, la lumière est absorbée principalement au niveau des feuilles (photosynthèse). La lumière verte seule n'est pas absorbée, mais réfléchie, d'où l'aspect vert des feuilles. Comme stimulus efficace, la lumière favorise la germination de certaines espèces et gêne celle d'autres espèces, ralentit la croissance des tiges, faisant s'incliner l'axe vers le côté le plus éclairé (phototropisme), règle l'ouverture des stomates foliaires et gouverne par sa durée la date de la floraison (photopériodisme).