Lumière - Définition

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Les deux représentations de la lumière

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 XXe 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.

Physiologie

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.

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