2.1. La lumière
La lumière est probablement la partie de la nature que nous rencontrons le plus souvent, pourtant nous nous demandons pas d'où elle vient exactement. Les physiciens se sont posé cette question de nombreuses fois dans l'histoire, des philosophes grecs aux disputes entre les physiciens supportant la théorie de Newton, sur la nature corpusculaire de la lumière, et ceux partisans de la théorie de Descartes, sur sa nature ondulatoire. La réponse fut finalement donnée par la physique quantique, définie par Max Planck en 1900, et travaillée aussi par Albert Einstein. Cette théorie donne place à une dualité assez surprenante, la dualité onde-corpuscule.
La lumière est d'un côté une onde électromagnétique, se propageant dans l'espace et le temps.
En fait, nous baignons en permanence dans un champ électromagnétique, créé par la présence de particules chargées et leur déplacement.
Une perturbation de ce champ se propagera: c'est une onde électromagnétique.
Ceci donne à ces ondes la propriété de pouvoir se déplacer dans le vide, car même dans le vide il y a un champ électromagnétique.
Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par leur longueur d'onde, λ, trajet parcouru par l'onde pendant une période, et leur fréquence, ν.
Ceux-ci sont liés par la formule
, où c est la célérité de l'onde électromagnétique, soit envirion 300 000 km.s-1, que l'on appelle aussi vitesse de la lumière dans le vide.
Mais la lumière visible n'est en fait qu'une fenêtre étroite de l'ensemble des ondes électromagnétiques, qui comprennent les rayons gamma, X, ultraviolets, infrarouges, les ondes radios, etc.
Le spectre du visible s'étend à peu près de 400 nm (violet) à 700 nm (rouge).
Les travaux de Max Planck et Albert Einstein sur la "lumière quantique" ont montré que l'énergie de la lumière est aussi en quelque sorte "granuleuse", ce "grain d'énergie" est appelé un photon. Chaque photon d'un rayonnement (lumière, rayons X ...) porte une quantité d'énergie caractéristique de sa fréquence. Le photon est une particule élémentaire de la famille des bosons, et explique les échanges d'énergie entre la lumière et la matière.
Ces échanges avec la matière expliquent en effet comment on peut voir certains objets. Il existe deux types d'objets:
les objets qui produisent de la lumière, comme le Soleil, les flammes, les lampes à incandescence, etc. Ceux-ci produisent souvent de la lumière par incandescence, le mouvemement perpétuel d'agitation de la matière émettant des ondes électromagnétiques. Ces ondes ne sont pas toujours visibles, ce sont les rayonnements infrarouges, mais lorsque la température est assez élevée, elles entrent dans le spectre du visible.
les objets qui ne sont visibles que s'ils sont éclairés (invisibles dans l'obscurité). Ils diffusent dans toutes les directions la lumière qu'ils reçoivent, ce qui est appelé l'émission atomique ou moléculaire. En fait, un atome ou une molécule peut s'exciter par apport d'énergie de l'extérieur (par chaleur, lumière, ou décharge électrique). Dans ce cas, un électron peut "grimper" à un niveau d'énergie supérieur, mais ne tardera pas à reprendre sa place d'origine à cause de l'instabilité de cet état. Lorsqu'il reprendra sa place, il cèdera de l'énergie sous forme d'un photon émis vers l'extérieur.
Le photon émis portera donc une certaine énergie, qui est proportionnelle à la fréquence de la radiation, selon la formule
(ħ est la constante de Planck).
Selon la complexité de l'atome/de la molécule, l'émission lumineuse pourra être constituée d'un grand nombre de longueurs d'onde, matérialisées par des raies dans le spectre, ou même des bandes continues dans le cas des molécules.
Une couleur est donc définie par sa longueur d'onde, ou par un mélange de longueurs d'onde.
Par exemple, un vert "pur" est une radiation monochromatique de longueur d'onde 530 nm, tandis que la lumière blanche est un spectre continu contenant toutes les longueurs d'onde du domaine du visible.
Une petite remarque sur l'infrarouge/l'ultraviolet: Pourquoi ne percevons-nous pas ces rayonnements? Deux raisons:
Ultraviolet: tout simplement, le cristallin n'est pas assez transparent pour laisser passer ces radiations.
Infrarouge: ici, c'est une autre affaire; l'onde parvient jusqu'au photorécepteurs, mais nous ne possédons pas de pigments visuels adaptés à cette longueur d'onde.
Au début de la perception, nous avons donc un rayon lumineux. Celui-ci traversera les milieux transparents de l'oeil, et à cause de leurs indices de réfraction différents, sera réfracté plusieurs fois, la cornée et le cristallin assurant l'accommodation de l'image. La lentille convergente formée par ces milieux transparents provoque aussi une "inversion" de l'image sur la rétine, qui sera corrigée par l'interprétation cérébrale. Puis le rayon traverse la rétine, pour arriver finalement aux segments externes des photorécepteurs, où il sera interprété. Nous verrons maintenant comment.