Lumière

La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à la notion de couleur. C'est Isaac Newton qui propose pour la première fois au XVII siècle un cercle des couleurs chromatiques fondé sur la décomposition de la lumière blanche. Elle peut se mesurer en lux.

Outre la lumière visible, par extension, on appelle parfois « lumière » d'autres ondes électromagnétiques, telles que celles situées dans les domaines infrarouge et ultraviolet.

La lumière se déplace en ligne droite dans tout milieu transparent, en particulier le vide ou l'air. Elle peut en revanche changer de trajectoire lors du passage d'un milieu à un autre.

Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse strictement fixe (voir plus bas), et d'ailleurs indépassable. On trouve d'ailleurs souvent l'affirmation « la vitesse de la lumière est constante », le « dans le vide » étant alors sous-entendu. La lumière est un peu plus lente dans l'air, et notablement plus lente dans l'eau. Le principe de Fermat ou les lois de Descartes permettent de déduire les changements de trajectoire de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu à l'autre en fonction de sa vitesse dans chacun des milieux.

La lumière peut d'ailleurs être décomposée (les faisceaux prennent des directions différentes selon leur longueur d'onde, et donc selon leur couleur pour la lumière visible) à force de traverser différents milieux transparents, car la vitesse peut dépendre de la fréquence.

La lumière n'est perçue par un récepteur que si elle va directement dans sa direction. Cela peut paraître évident, mais dans les bandes dessinées, on voit souvent un cône jaune sortir d'une lampe, alors qu'un observateur qui ne se trouve pas directement dans le faisceau ne percevra la lumière que si une partie est redirigée. Pour mettre en évidence un faisceau, il faut qu'il traverse un nuage de fumée ou de poussière (raison pour laquelle les boîtes de nuit combinent les lasers et les fumées).

Couleur

On prête plusieurs sens au mot « couleur ». L'un d'eux veut qu'une couleur corresponde à une lumière pure, d'une seule longueur d'onde. Une autre définition qualifie de couleur toute apparence obtenue par dosage des différentes lumières. Si le bleu est une couleur dans tous les cas, le blanc (réunion de toutes les longueurs d'ondes, ou de longueurs d'onde bien choisies), le magenta (réunion de rouge et de bleu) et le noir (aucune lumière) ne sont des couleurs que suivant la seconde définition.

Comportement ondulatoire de la lumière

En 1678, Christian Huygens propose une théorie ondulatoire de la lumière, publiée en 1690 dans son Traité de la Lumière. Thomas Young expérimente en 1801 la diffraction et les interférences de la lumière. En 1821, Augustin Fresnel énonce que la conception ondulatoire de la lumière est seule capable d’expliquer de façon convaincante tous les phénomènes de polarisation en établissant la nature transversale des ondes lumineuses et en 1850, Léon Foucault fait prévaloir la théorie ondulatoire sur la théorie corpusculaire newtonienne avec son expérience sur la vitesse de propagation de la lumière. Il faudra attendre les travaux de James Clerk Maxwell pour expliquer le phénomène ondulatoire : il publie en 1873 un traité sur les ondes électromagnétiques, définissant la lumière comme une onde qui se propage sous la forme d'un rayonnement, le spectre de ce rayonnement n'étant qu'une partie de l'ensemble du rayonnement électromagnétique, beaucoup plus large : infrarouge, ultraviolet, ondes radio, rayons X... Comme déjà dit, on peut qualifier ces rayonnements de lumière au sens large, ou alors restreindre le mot « lumière » à la lumière visible (« lumière visible » devient alors un pléonasme).

Les équations de Maxwell permettent de développer une théorie générale de l'électromagnétisme. Elles permettent donc d'expliquer aussi bien la propagation de la lumière que le fonctionnement d'un électroaimant. Pour les cas simples, les lois de l'optique géométrique, décrivent bien le comportement des ondes (on démontre que ces lois sont un cas particulier des équations de Maxwell). Cette description classique est la plus utilisée pour expliquer la propagation de la lumière, y compris des phénomènes compliqués comme la formation d'un arc-en-ciel ou les fentes de Young.

Comportement corpusculaire de la lumière

Newton avait développé une théorie purement corpusculaire de la lumière. Elle est rejetée avec la mise en évidence de phénomènes d'interférence (dans certains cas, additionner deux sources de lumière donne de l'obscurité, ce qui n'est pas explicable par une théorie corpusculaire).

La physique du XX siècle a montré que l'énergie transportée par la lumière est quantifiée. On appelle photon le quantum d'énergie (la plus petite quantité d'énergie, indivisible), qui est aussi une particule. L'existence de cette particule ne contredit pas la théorie ondulatoire, au contraire : la dualité onde-particule (ou onde-corpuscule) en mécanique quantique dit qu'à chacune des particules est associée une onde. Finalement, si on considère le déplacement d'un unique photon, les points d'arrivée possibles sont donnés sous forme de probabilités par l'onde associée. Sur un très grand nombre de photons, chaque lieu d'arrivée est illuminée avec une intensité proportionnelle à la probabilité… ce qui correspond au résultat de la théorie classique.

En 1670, Ole Christensen Rømer mesure indirectement la vitesse de la lumière en observant les décalages de l'orbite de Io par rapport aux prévisions. Plus tard en 1849, Hippolyte Fizeau mesure directement la vitesse de la lumière avec un faisceau réfléchi par un miroir lointain et traversant une roue dentée.

La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (comme célérité), est une constante de la physique. Cette propriété a été induite de l'expérience d'interférométrie de Michelson et Morley et a été clairement énoncée par Albert Einstein en 1905.

C'est la vitesse maximale permise pour tout déplacement de tout ce qui transporte de l'information ou de l'énergie, conformément à la théorie de la relativité.

D'autres unités sont définies à partir de la vitesse de la lumière (cf. infra). En particulier le mètre est défini de telle sorte que la vitesse de la lumière dans le vide vaille 299 792 458 m/s. De ce fait, la vitesse de la lumière est exacte, car elle ne dépend plus d'une mesure (imprécise et susceptible de changement avec des progrès de mesure).

Addition des vitesses et célérité

La loi d'addition des vitesses v' = V+v est à peu près vraie pour des vitesses faibles par rapport à la vitesse de la lumière.

Du point de vue de la physique classique, un voyageur marchant dans un train a, par rapport au sol, une vitesse égale à celle du train plus (vectoriellement) sa propre vitesse de marche dans le train. Et l'on écrit d = (V+v) t = Vt +vt = la distance parcourue par le train + la distance parcourue dans le train = la distance parcourue par le voyageur par rapport au sol dans le temps t qui est classiquement le même dans le train et, ce qui implique la loi classique d'addition des vitesses.

Ceci n'est qu'une approximation, qui devient de moins en moins précise à mesure que la vitesse v considérée augmente.

Un photon va à la même vitesse c que ce soit par rapport au sol ou par rapport au train ! La loi d'addition des vitesses n'est qu'une approximation de la loi dite de transformation sur les vitesses de Lorentz (appelée parfois d'addition des vitesses, ou plus correctement loi de composition des vitesses).

Ce résultat est l'une des caractéristiques de la relativité restreinte ; la loi de composition des vitesses issue des transformations mathématiques de Lorentz donne à la limite des faibles vitesses (par rapport à la vitesse c) les mêmes résultats que les transformations de Galilée.

Dans les matériaux

La vitesse de la lumière n'est pas toujours la même dans tous les milieux et dans toutes les conditions. Par exemple, les écarts de vitesse observés entre deux milieux peuvent être reliés au phénomène de réfraction qui permet le fonctionnement des lentilles.

Les écarts sont généralement assez faibles, ce qui a permis de parler de vitesse de la lumière au lieu de vitesse de la lumière dans le vide. Cependant, dans certains cas, une onde lumineuse peut être considérablement ralentie. Les physiciens sont parvenus à ralentir la propagation lumineuse jusqu'à quelques mètres par seconde dans des cas extrêmes.

Dans le Système International (SI)

De nos jours, la plupart des unités du système international sont définies à partir de la célérité de la lumière.

Une vitesse étant le quotient d'une longueur par une durée, on peut donc définir une distance comme étant le produit d'une durée par une vitesse (en l'occurrence c), ou une durée comme la division d'une distance par c.

Mesure de temps

La seconde est définie dans le système international par un phénomène lumineux : c'est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.

Mesure de distance

• Le mètre, unité du système international de longueur. De nos jours, il est défini comme la distance parcourue par la lumière, dans le vide, en 1/299 792 458 de seconde. Il s'agit là d'une définition conventionnelle, car toute évolution dans la définition de la seconde aurait une incidence directe sur la longueur du mètre. Avec la définition actuelle de la seconde, le mètre est donc égal à

$\frac{9192631770}{299792458}$ fois la longueur d'onde de la radiation choisie.

On peut également dire que la vitesse de la lumière dans le vide est précisément 299 792 458 m·s : il n'y a pas la moindre incertitude sur cette valeur, l'incertitude ne résidant que dans la définition de la seconde.

• Le mètre, avec ses sous-multiples ou multiples (millimètre, kilomètre), est très pratique pour mesurer les distances sur la Terre ; par contre pour les astronomes, il est trop court et peu adapté (puisque les astronomes n'observent pratiquement que de la lumière). En effet, la Lune, l'astre le plus proche de nous, est à environ 380 000 000 mètres de nous et le Soleil, l'étoile la plus proche, est à environ 150 000 000 000 mètres.

Avec le principe décrit précédemment (distance = c x durée), on définit l'année-lumière comme la distance que la lumière parcourt en 1 an. Ainsi le Soleil n'est qu'à 8,32 minutes-lumière de nous ; et la Lune est seulement à un peu plus d'1 seconde-lumière. L'année-lumière vaut environ 10 000 000 000 000 000 mètres (10 millions de milliards de mètres, soit 10 m).

Monochromatisme et polychromatisme

La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques. De manière générale, une onde est caractérisée par sa longueur d'onde et sa phase. La longueur d'onde correspond à la couleur de la lumière. Ainsi, une lumière constituée d'ondes de la même longueur d'onde, est dite monochromatique. Si en plus toutes les ondes ont la même phase, alors la lumière est cohérente : c'est ce qui se passe dans un laser.

Mesure

En matière de mesure de la lumière, il importe de bien définir de quoi on parle

• l'unité de flux lumineux, ou puissance lumineuse est le lumen = candela.stéradian. Une ampoule électrique courante (15 watts basse consommation ou 75 watts à incandescence classique) produit environ 1500 lumens.
• L'unité internationale d'intensité lumineuse est la candela.

La mesure de la lumière est compliquée par le fait qu'on s'intéresse, en pratique, à la lumière visible, alors que la perception humaine dépend de la longueur d'onde : Cf. luminance et chrominance.

Lumières célestes

• Le Soleil et plus généralement les étoiles produisent plus de rayonnement qu'ils n'en reçoivent,
• La Lune et plus généralement les petits corps célestes (les planètes et leurs satellites, les astéroïdes, les comètes, etc.), produisent moins de rayonnement qu'ils n'en reçoivent. Certaines planètes géantes (comme Jupiter ou Saturne) produisent un peu plus de rayonnement qu'ils n'en reçoivent, mais pas suffisamment pour être facilement visibles à l'œil nu depuis la terre. Dans les deux cas, ces corps sont lumineux par réflexion de la lumière du Soleil.
• Les étoiles filantes sont échauffées par la friction avec l'air et finissent par y brûler. Ce phénomène est source de lumière.

Lumières chimiques

• Certains organismes vivants : poissons, mollusques, lucioles et vers luisants, sont le siège de réactions chimiques productrices de lumières.
• Les chauffages intenses, donc les combustions en général, le feu, les feux-follets, produisent de la lumière :

liquide : les lampes à huile, à pétrole, ou à gaz,

solide : les bougies, chandelle (chandelier), cierge.

Lumières électriques

Les lumières électriques sont les sources les plus courantes de lumière aujourd'hui : lampadaires, spots, phares, lampes-torches, etc., elles peuvent utiliser un phénomène de chauffage ou un phénomène quantique.

L'ampoule électrique (« lampe à incandescence ») a révolutionné la vie quotidienne. La source de lumière provient de l'incandescence d'un filament lumineux. Le tube fluorescent, la diode électroluminescente sont des lumières électriques, ainsi que le tube cathodique qui emploie la technique d'un bombardement d'électrons.

Lumières quantiques

• la fluorescence, les lasers, les lampes à vapeur de mercure ou de sodium, les plasmas tels que ceux produits par les éclairs dans les orages, produisent de la lumière issue de phénomènes quantiques au cœur des atomes : l'excitation des électrons ("pompage optique"), peut être obtenu par excitation, puis désexcitation de ces électrons, qui en retournant à leur niveau d'énergie habituel, émettent des photons (lumière).

Autres lumières

• La phosphorescence est une source naturelle de lumière, de faible intensité.
• Les étincelles sont le produit d'une intense friction sur certains matériaux.
• L'émission de lumière due au frottement, ou triboluminescence, n'est pas d'origine thermique et elle ne se produit qu'avec des isolants électriques.
• Certains animaux et champignons sont capables de produire une lumière froide d'origine biochimique : en particulier des animaux nocturnes tels que différentes espèces de lucioles; ou des animaux marins des grandes profondeurs; ainsi que, en surface, certaines espèces de plancton.

Les différents facteurs qui déterminent l’absorption optique des molécules pigmentaires (bleu, vert - jaune, orange - rouge) dans les trois types de cônes et de bâtonnets sont au centre des préoccupations de la photométrie. La perception des couleurs est rendue possible par l’étroit spectre d’absorption des pigments des cônes. Les bâtonnets quant à eux rendent compte de l’intensité lumineuse. Ils possèdent un pigment nommé molécule rhodopsine (ou pourpre rétinienne) ayant un spectre d’absorption plus large. Ils sont plus sensibles que les cônes.

D´un point de vue physiologique l´effet de couleur est dû aux différents degrés d’absorption des pigments des cônes. La perception des différentes couleurs correspond aux différents domaines du spectre lumineux. Lorsque certaines longueurs d’ondes sont absorbées de la lumière les domaines qui restent donnent alors une impression de couleur. Ainsi une feuille verte n’absorbe-t-elle pas le domaine « vert » des longueurs d’ondes mais les autres qui lui sont complémentaires : le « rouge » (680 nm) et le « bleu » (430 nm).

La lumière telle qu’on la connaît dans le monde est un mélange de différentes longueurs d’ondes. Grâce à un réseau de diffraction ou prisme on peut décomposer la lumière polychromatique (multicolore) en différentes fréquences monochromatiques (unies). Chacun des composants monochromatiques de la lumière correspond à une perception spécifique de l’œil humain : les couleurs du spectre ou de l’arc-en-ciel.

Les transitions entre les différentes couleurs sont floues. Leur perception est subjective et dépend de la tradition et de la langue. Les mots utilisés pour désigner les couleurs en témoignent.

Chaque domaine de couleur particulier peut être décomposé en différentes nuances. La zone intercalaire entre le bleu et le vert s’appelle le turquoise ou le cyan. D’autres couleurs comme le marron par exemple résultent de la superposition de plusieurs longueurs d’ondes (mélange additif des couleurs) ou proviennent d’un mélange soustractif des couleurs de la lumière obtenu par filtration de la lumière blanche (la somme de toutes les couleurs).

Les ondes électromagnétiques dépassant les frontières du visible chez l’être humain : de fréquence supérieure au violet sont désignées jusqu’à une certaine limite par le terme d'ultra-violets ou U.V.; celles qui sont de fréquence inférieure au rouge sont appelées infra-rouges. La largeur de bande de la lumière visible par les animaux peut varier considérablement par rapport aux capacités visuelles des êtres humains.

• Diffraction
• Diffusion
• Interférences
• Réflexion
• Réfraction
• Lentille gravitationnelle

Les observations astronomiques ont été réalisées depuis que l'homme existe : on aperçut des lumières dans le ciel : le Soleil, la Lune, des étoiles au firmament, des étoiles filantes… et l'on se rendit compte que cela gouvernait le cycle des journées (alternance jour / nuit), et le cycle des saisons (durée du jour tout au long de l'année). Le feu produisait également de la lumière.

Dans la représentation du monde des Grecs, le feu (Soleil) était l'un des quatre éléments fondamentaux, puisque l'on se rendit compte que la combustion produisait une lumière comparable au phénomène observé en provenance du Soleil ou des étoiles.

L'astronomie moderne apparaît lorsque Galilée, ayant découvert le secret de la lunette hollandaise (inventée à la fin du XVI siècle), en améliore les performances pour l'utiliser en astronomie (voir lunette astronomique).

La photographie permet aussi de fixer sur le papier les images obtenues par les télescopes, ce qui en rend la diffusion beaucoup plus aisée.

Au XX siècle, on applique les théories électromagnétiques à l'observation astronomique : après la Seconde Guerre mondiale, on met au point des télescopes qui recueillent les ondes électromagnétiques dans le spectre radio, les radiotélescopes, ainsi que des télescopes observant les infrarouges ou les ultraviolets. Cela présentait l'avantage de permettre de découvrir de nouveaux objets célestes. Ainsi naquit la radioastronomie. On emploie aussi maintenant des télescopes spatiaux pour éviter la pollution atmosphérique.

De nos jours, les astronomes font moins d'« observations » à l'œil nu. Les astronomes amateurs continuent néanmoins d'observer le ciel avec des lunettes astronomiques, qui sont dans leur principe, équivalentes à celle qu'employa Galilée à partir de 1609.

Même si certaines formes de vies au fond des océans peuvent s'en passer, la lumière du soleil est la première source d'énergie des écosystèmes terrestres, via la photosynthèse. Elle contrôle donc les cycles écogéobiologiques et le stockage « fossile » du carbone tels qu'ils existent depuis 3,7 milliards d'années. Elle joue aussi un rôle important en entretenant la couche d'ozone et en limitant la pullulation des microbes sensibles aux ultra-violets et/ou à l'infrarouge. Cette sensibilité est utilisée par certaines techniques de stérilisation.

Inversement, elle contribue à certaines formes de pollution dites « photochimiques » (ozone troposphérique, oxydes d'azote) et inversement à dégrader (photodégradation) certains polluants de l'air, du sol superficiel ou de l'eau (certains pesticides présents dans l'air) par exemple.

C'est encore la lumière qui via la durée du jour corrige les horloges biologiques animales, par la production de mélatonine qui est une hormone uniquement produite la nuit, chez la plupart des animaux et chez d'autres espèces. Chez les plantes, la durée du jour contrôle aussi, avec la température, l'apparition des bourgeons, feuilles, fleurs, ou l'ouverture ou la fermeture de fleurs. C'est pourquoi la présence de lumière artificielle dans l'environnement nocturne peut altérer le comportement ou les fonctions de certaines espèces ou des écosystèmes ; phénomène généralement décrit sous le nom de « pollution lumineuse ».

Lumière et santé

Chez la plupart des espèces la lumière naturelle est vitalement nécessaire au bon accomplissement des cycles biologiques. Chez l'homme on peut produire ou soigner une dépression par l'absence ou la présence de lumière. Les UV de la lumière solaire sont nécessaire à la synthèse de la vitamine D.

On a montré en 2008 que la prise de mélatonine et l'exposition à la lumière naturelle améliorent les symptômes de troubles des cycles du sommeil (La prise de mélatonine facilite l'endormissement (8 mn plus tôt en moyenne) et allonge le sommeil ;de 27 mn en moyenne).

L'exposition à la lumière naturelle diminuerait aussi chez ces malades :

• les symptômes de dépression (-19%),
• les limitations fonctionnelles au quotidien (- 53%)
• la détérioration cognitive (- 5%).

L'association Lumière + mélatonine a aussi diminué les comportements agressifs (- 9%), les phases d'agitation et de réveils nocturnes.

Le Dr Albert Lachman (spécialiste des troubles du sommeil) estime qu'en améliorant le sommeil du malade on améliore aussi les fonctions cognitives et l'humeur. Il conseille "de bien éclairer les pièces en journée, de laisser les rideaux ouverts et, à l'inverse, de diminuer les sources de lumière en soirée pour que l'organisme reçoive le signal que la nuit est là". "Malheureusement, dans certaines maisons de repos, pour des questions d'organisation, on fait plutôt l'inverse" ajoute-t-il .

La lumière semble avoir fait l'objet d'une interprétation symbolique dès que les hommes se sont mis à croire dans un au-delà. Depuis la possible déification du feu, devenu élément vital pour l'Homme préhistorique, puis l'un des quatre éléments de la philosophie de la Grèce antique, jusqu'à la théologie chrétienne de Dieu comme "lumière des lumières", l'illumination étant présente dans de nombreuses religions, on n'a eu de cesse que de lui accorder des origines et vertus surnaturelles.

Ses symboles sont universels et se déclinent sous des formes multiples :

• le cercle solaire (symbole d'Aton, dieu de l'Égypte antique, rosace "rayonnante" des cathédrales gothiques),
• la flèche ou le triangle (à l'image du rayon solaire ou rapprochant l'homme du ciel comme pour les pyramides aztèques et égyptiennes, ou les frontons des temples grecs).

Les philosophes ont utilisé cette symbolique ; Ainsi, Descartes affirmait-il dans les Principes de la philosophie (1644), que l'on pouvait s'appuyer sur les lumières naturelles, sans les lumières de la foi, ce même Descartes s'étant intéressé de près à l'optique (la Dioptrique, 1637). C'était à l'époque où l'on a admis que la Terre tournait autour du Soleil (voir Révolution copernicienne, ce qui a constitué un bouleversement dans les représentations du monde, et consécutivement dans les représentations sociales.

L'expression « Lumières » pour désigner le courant philosophique européen (en particulier en France) qui a dérivé de cette conception plutôt mécaniste du monde et de l'univers a également donné son nom au siècle pendant lequel cette représentation sociale s'est mise en place, communément appelé le siècle des Lumières, et que Michel Foucault analyse dans les Mots et les Choses (voir aussi épistémè).

Georges Duby, dans le temps des cathédrales (1975), décrit également, sous l'angle artistique, la théologie de la Lumière, initiée à la basilique Saint-Denis au XII siècle, qui est à l'origine de l'architecture dite gothique (mot apparu au XIX siècle et de l'émergence des cathédrales dites gothiques dans toute l'Europe. Selon la théologie de la lumière, la lumière du ciel passe à travers les vitraux, où sont représentés des scènes de l'Ancien Testament et du Nouveau Testament, illustration imagée de notre catéchisme moderne, pour des populations qui étaient encore peu cultivées dans leur ensemble.