Lumière - Définition

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. C'est Isaac Newton qui propose pour la première fois au XVII^e 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.

Propagation et perception

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.

Vitesse

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

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, 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 10¹⁶ m).