À la fois onde et particule, la lumière a donné du fil à retordre aux physiciens depuis l’Antiquité.
Elle a permis l’essor de la vie sur Terre et symbolise le divin dans toutes les religions. Elle est une source d’inspiration sans fin pour les artistes et rythme notre quotidien. Elle est un outil sans limite pour les ingénieurs et a toujours fasciné les physiciens. La lumière a provoqué d’innombrables révolutions scientifiques, et il y a fort à parier que ce n’est qu’un début. Mise à l’honneur par les Nations Unies, qui ont déclaré 2015 l’Année internationale de la lumière et des technologies fondées sur la lumière, elle est, sur le plan scientifique, l’un des phénomènes les plus complexes et mystérieux à saisir.
« Les scientifiques se sont interrogés très tôt sur la nature de la lumière. Mais jusqu’au Moyen Âge, on pensait que c’était l’œil qui émettait la lumière et éclairait les objets », rappelle Yves Gingras, professeur d’histoire et de sociologie des sciences à l’Université du Québec à Montréal.
Il faudra attendre les alentours de l’an 1000 pour que le scientifique arabe Ibn Al-Haytham mette à mal cette théorie et démontre, expériences à l’appui, que l’œil est un instrument d’optique et non pas un générateur de lumière.
La « géométrie » de la lumière, en revanche, est comprise relativement tôt. « Dès l’Antiquité, notamment grâce à Ptolémée, on décrit les lois de la réflexion de la lumière sur les miroirs, par exemple», poursuit l’historien. Ibn Al-Haytham reprend aussi les travaux de Ptolémée et les complète, étudiant la réfraction, qui correspond à la déviation d’un rayon lumineux quand il passe d’un milieu à un autre (par exemple de l’air à l’eau). Le savant est aussi l’un des premiers à soupçonner que la vitesse de la lumière est finie – celle-ci ne sera finalement évaluée précisément qu’en 1676 par l’astronome danois Ole Römer.
« Au 17ème siècle, Newton franchit une étape majeure en décomposant avec un prisme le spectre de la lumière blanche, et en montrant qu’il est composé de plusieurs couleurs », poursuit Yves Gingras. Le physicien théorise aussi sur la nature de la lumière : pour lui, chaque couleur correspond à des « corpuscules » se déplaçant à des vitesses différentes.
« À peu près au même moment, le physicien hollandais Christiaan Huygens décrit au contraire la lumière comme une onde, similaire à celles que l’on peut observer à la surface de l’eau, reprend-il. C’est la théorie qui va dominer jusqu’au 20ème siècle. »
En fait, le conflit sur la nature corpusculaire ou ondulatoire de la lumière va durer jusqu’à ce que les travaux de physique quantique d’Einstein, en 1909, permettent de trancher.
« Pour expliquer l’effet « photoélectrique » (NDLR, qui correspond à l’émission d’électrons observée lorsque de la lumière UV frappe une surface métallique), Albert Einstein conclut que la lumière est à la fois un faisceau de particules et une onde. C’est ce qu’on appelle la dualité onde-corpuscule. Il qualifie lui-même ses travaux de révolutionnaires », note l’historien.
Encore aujourd’hui, avouons que le concept est difficile à saisir. La lumière se comporte tantôt comme une onde électromagnétique, tantôt comme un flux de particules (les photons). Ce n’est d’ailleurs qu’en mars 2015 que des chercheurs de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse, ont réussi à « photographier » simultanément les deux aspects de la lumière, en utilisant un flux électrons.
Une première dans l’histoire de la physique, qui nous met face à la nature paradoxale de la physique quantique.
Le spectre électromagnétique
Source: Tatoute et Phrood
La lumière visible par l’œil humain est composée de l’ensemble des ondes dont la longueur d’onde est comprise entre 380 et 780 nanomètres (un nanomètre est égal à un millionième de millimètre). Dans cet intervalle appelé spectre, chaque longueur d’onde correspond à une couleur. Le spectre visible n’est qu’un fragment du spectre électromagnétique : les autres longueurs d’onde correspondent à celles que l’on ne voit pas, soit le rayonnement U.V, les micro-ondes, les rayons X, etc. Cependant, on parle souvent de « lumière » infrarouge ou ultraviolette.
Chronologie
- Premier siècle après JC – Claudius Ptolémée : il pense que le rayon visuel émane de l’œil pour frapper les objets, mais il décrit avec justesse les phénomènes de réflexion et de réfraction.
- Vers 1015 : Ibn Al-Haytham, dit Alhazen, étudie l’oeil et conclut que la lumière est émise par les objets, indépendamment de l’observateur.
- Vers 1600 : Galilée tente sans succès de mesurer la vitesse de la lumière, en demandant à un assistant de dévoiler une lanterne sur une colline en face et en déclenchant une horloge dès qu’il apercevait le signal lumineux.
- 1600-1650 : Willebrord Snell découvre les lois de la réfraction et René Descartes les publie en 1637.
- 1676 : première mesure de la vitesse de la lumière par Ole Römer, qui travaille sur les éclipses de Io, satellite de Jupiter.
- 1687 – Christiaan Huygens propose une théorie ondulatoire de la lumière qui lui permet d’expliquer les phénomènes de réflexion et de réfraction.
- 1704 : Newton décompose la lumière blanche et réfute la théorie de Huygens, affirmant que la lumière est composée de corpuscules.
- 1800 : Thomas Young remet en question l’interprétation corpusculaire de la lumière et réalise une série d’expériences faisant interférer des faisceaux de lumière.
- 1864: l’Écossais James Maxwell Maxwell parvient à unifier les relations entre champs magnétique et électrique et conclut que la lumière est une variété d’onde électromagnétique.
- 1887 : Heinrich Hertz confirme expérimentalement les prédictions de Maxwell : l’aspect ondulatoire de la lumière est vérifié, et il s’agit d’une onde électromagnétique.
- 1905-1915 : Albert Einstein montre que l’effet photoélectrique (arrachage des électrons d’un métal par la lumière) ne peut s’expliquer que si la lumière contient des photons, des particules transportant un quantum d’énergie.
- 1924 : Louis de Broglie généralise la dualité onde-particule, admise pour la lumière, à tous les objets microscopiques (électrons, protons, neutrons…).