Lumière - Définition et Explications

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Introduction

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 (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...). C'est Isaac Newton (Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G, ou 25 décembre...) qui propose pour la première fois au XVIIe siècle un cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale...) des couleurs chromatiques fondé sur la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) blanche. Elle peut se mesurer en lux.

Outre la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre...), par extension, on appelle parfois « lumière » d'autres ondes électromagnétiques, telles que celles situées dans les domaines infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) et ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur...).

Propagation et perception

La lumière se déplace en ligne droite dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) milieu transparent, en particulier le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) ou l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...). Elle peut en revanche changer de trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) lors du passage d'un milieu à un autre.

Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse (On distingue :) strictement fixe (voir plus bas), et d'ailleurs indépassable. On trouve d'ailleurs souvent l'affirmation « la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...) est constante », le « dans le vide » étant alors sous-entendu. La lumière est un peu plus lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) dans l'air, et notablement plus lente dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...). 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 (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...), et donc selon leur couleur pour la lumière visible) à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de traverser différents milieux transparents, car la vitesse peut dépendre de la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...).

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 (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même...) 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 (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de...) un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) de fumée (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules...) ou de poussière (raison pour laquelle les boîtes de nuit combinent les lasers et les fumées).

Couleur

On prête plusieurs sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) au mot « couleur ». L'un d'eux veut qu'une couleur corresponde à une lumière pure, d'une seule longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...). Une autre définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) qualifie de couleur toute apparence obtenue par dosage (En chimie analytique, le dosage est l'action qui consiste à déterminer la quantité...) des différentes lumières. Si le bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...) est une couleur dans tous les cas, le blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir...) (réunion de toutes les longueurs d'ondes, ou de longueurs d'onde bien choisies), le magenta (réunion de rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) et de bleu) et le noir (aucune lumière) ne sont des couleurs que suivant la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) définition.

Vitesse

En 1670, Ole Christensen Rømer mesure indirectement la vitesse de la lumière en observant les décalages de l'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) de Io par rapport aux prévisions. Plus tard en 1849, Hippolyte Fizeau (Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819-1896) est un physicien français qui travailla notamment sur la...) mesure directement la vitesse de la lumière avec un faisceau réfléchi par un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme...) lointain et traversant une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe...) dentée.

La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (comme célérité), est une constante de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...). Cette propriété a été induite de l'expérience d'interférométrie (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre...) de Michelson et Morley et a été clairement énoncée par Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...) en 1905.

C'est la vitesse maximale permise pour tout déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) de tout ce qui transporte de l'information ou de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), conformément à la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de...).

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 (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la...) 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 (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) de la physique classique, un voyageur marchant dans un train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de...) a, par rapport au sol, une vitesse égale à celle du train plus (vectoriellement) sa propre vitesse de marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un...) 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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) 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 (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...), qui devient de moins en moins précise à mesure que la vitesse v considérée augmente.

Un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) 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 (En mathématiques, une loi de composition, ou loi tout court, est une relation ternaire qui est...) des vitesses).

Ce résultat est l'une des caractéristiques de la relativité restreinte ; la loi de composition des vitesses issue des transformations mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) de Lorentz donne à la limite des faibles vitesses (par rapport à la vitesse c) les mêmes résultats que les transformations de Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence,...).

Dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...)

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 (La réfraction, en physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie...) 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 (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...), 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 (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par...) 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 (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus...) de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) de césium (Le césium est un élément chimique de symbole Cs et de numéro atomique 55.) 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{9\;192\;631\;770}{299\;792\;458} 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-1 : 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 (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du...), l'astre le plus proche de nous, est à environ 380 000 000 mètres de nous et le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), l'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) 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 (L’année-lumière (symbole al, anciennement année de lumière) est une unité de distance...) 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 (symbole al, anciennement année de lumière) est une unité de distance...). L'année-lumière vaut environ 10 000 000 000 000 000 mètres (10 millions de milliards de mètres, soit 1016 m).

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