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Sep 08 2016

La lumière: Qui est-elle ?

Couché de soleil sur le pays haut mosellan. Crédits: C.P. Rigel

Couché de soleil sur le pays haut mosellan.
Crédits: C.P. Rigel

Il y a quelques jours, ma petite fille (qui fêtera bientôt ses 3 ans), regardait le crépuscule à travers la baie vitrée. Voyant qu’il allait être l’heure d’aller se coucher, elle m’a demandé:

« Papa pourquoi il fait nuit dehors ? »

Bien-sûr, la réponse qui me vint à l’esprit en premier lieu n’ayant aucune chance d’être comprise, j’ai dû faire un travail de vulgarisation 🙂 . Je lui répondit donc que le Soleil était allé faire dodo lui aussi, et que comme c’était lui qui envoyait de la lumière dehors, alors il faisait nuit. Comme seule réponse elle me montra l’ampoule qui éclairait le salon. Mon explication avait l’air de lui avoir suffi.

Après réflexion je me rendis compte que, non seulement elle avait parfaitement compris ce que je lui avais dit, mais aussi qu’elle semblait très bien savoir ce qu’était la lumière. Pourtant je ne le lui avais jamais expliqué, c’est quelque chose qu’elle a compris seule. En me montrant l’ampoule, elle exprimait le fait qu’elle savait que cet artifice permettait de prendre le relais lorsqu’il faisait nuit en générant de la lumière à la place du Soleil.

Ce qui est véritablement intéressant dans cette petite anecdote c’est que cela prouve à quel point le concept de lumière est naturel et inné pour nous autres mammifères. Un concept aussi complexe que celui de la lumière, qu’il nous serait bien difficile à expliquer simplement, est instinctivement perçu et intégré par un enfant de 2 ans et demi. La lumière fait partie de notre quotidien, nous savons où la trouver, et comment la générer depuis bien longtemps. La plus ancienne lampe à huile découverte à ce jour, date de -20000 avant JC. L’essentiel de notre vision du monde repose sur les rayons lumineux captés par nos yeux et interprétés par notre cerveau. Mais en dépit de notre authentique prédisposition à comprendre ce phénomène et à l’utiliser, savons-nous vraiment ce qu’est la lumière ? Quelle est sa nature ? De quoi est-elle constituée ? Ou ne voyons nous que la partie éclairée de l’iceberg ? Je vous invite à l’approfondir avec moi, après-tout, Einstein ne disait-il pas que:

Si vous n’êtes pas capable d’expliquer un concept à un enfant, c’est que vous ne le maîtrisez pas vous-même

Caractéristiques de la lumière

Rayon de lumière blanche traversant un prisme. (Crédits: DK Findout)

Rayon de lumière blanche traversant un prisme.
(Crédits: DK Findout)

Comme tout élément physique, il est possible de caractériser la lumière à l’aide de plusieurs paramètres. Les premiers qui vous viendront à l’esprit seraient peut-être:

  • Son intensité
  • Sa couleur

En réalité il existe un grand nombre d’unités de mesures qui peuvent être liées à la lumière et ses effets:

  • Le lux: Mesure l’éclairement (oui c’est le bon orthographe)
  • Le candela: Mesure l’intensité lumineuse
  • Le lumen: Mesure le flux lumineux
  • Le hertz: Mesure la fréquence de l’onde électromagnétique
  • Le mètre: Mesure la longueur d’onde électromagnétique
  • Le watt: Mesure du flux énergétique
  • Etc…

Tout cela peut sembler déroutant, mais ces unités mesurent chacune une particularité bien précise de la lumière ou de l’un de ses effets. Toutes ne sont pas intéressantes dans notre cas, ce qui nous intéresse ici, c’est surtout la lumière en elle-même, les caractéristiques d’un « rayon » lumineux.

On a souvent coutume de dire que la lumière est une onde électromagnétique et que ce qui fait qu’elle soit visible ou non à l’œil nu, dépend de sa longueur d’onde. Autrement dit, de son spectre. C’est un élément important pour ce qui va suivre.

Histoire de la lumière

D’un point de vue strictement scientifique, la lumière est née pendant l’ère inflationnaire environ 10-32 secondes après le big bang, mais d’un point de vue historique il aura fallu attendre 1670 et les études d’Isaac Newton sur la diffraction pour commencer à en percer les secrets. Newton, en démontrant que la lumière blanche est en réalité composée d’un ensemble de couleurs qui peuvent être séparées par un prisme, donne le coup d’envoi. En 1800 William Herschel découvre par hasard que cet ensemble de couleurs ne se limite pas à celles que l’on voit, des « rayons calorifiques » (infrarouges) apparaissent en dessous du rouge. Un an après, Johann Wilhelm Ritter découvre qu’il en va de même au dessus du violet et découvre les ultraviolets. Les recherches sur la lumière et ses propriétés atteignent leur vitesse de croisière en 1814 avec la découverte des raies spectrales solaires et l’invention du spectroscope par Joseph von Fraunhofer.

Joseph von Fraunhofer faisant une démonstration du spectroscope. Photogravure basée sur une peinture de Richard Wimmer.

Joseph von Fraunhofer faisant une démonstration du spectroscope. Photogravure basée sur une peinture de Richard Wimmer.

Ces pionniers ont ouvert la route à bien plus que ce qu’ils auraient pu imaginer. Nous le verrons plus loin dans cet article, mais en découvrant les raies spectrales, Fraunhofer posa les bases de l’astronomie moderne.

Nature de la lumière

La lumière est une onde électromagnétique et, comme toutes les ondes électromagnétiques, l’une de ses propriétés est sa longueur d’onde. La longueur d’onde de la lumière est ce que notre cerveau interprète comme sa couleur.

Longueurs d'ondes du spectre électromagnétique (Crédit: By Tatoute and Phrood (Unknown) [GFDL, CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons)

Longueurs d’ondes du spectre électromagnétique
(Crédit: By Tatoute and Phrood (Unknown) [GFDL, CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons)

La longueur d’onde détermine le type de rayonnement auquel nous aurons à faire. En dessous des 400 nano mètres nous avons affaire aux rayonnements les plus énergétiques comme les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma. Au dessus des 700 nano mètres ces sont les rayonnements les moins énergétiques, comme les infrarouges et les ondes radios.

L’intervalle entre ces deux bornes, sont les rayonnements auquel notre rétine est sensible, en d’autres termes ce que nous appelons la lumière. Cet intervalle est minuscule, et la plus grande partie du spectre électromagnétique passe inaperçu pour nous autres mammifères. Nous ne pouvons le visualiser que par les effets qu’il cause ou à l’aide de détecteurs spécifiques.

Néanmoins nous avons appris à les utiliser pour transporter de l’information, pour voir à travers la matière, ou encore pour libérer l’énergie de la matière en provoquant la fission de gros atomes.

Mais le spectre électromagnétique à un autre pouvoir incroyable. Il permet de connaitre la composition chimique de la matière, et cela même à des centaines d’années-lumières !

Les raies spectrales

De quoi s’agit-il exactement ?

Pour pouvoir connaitre la composition d’une étoile lointaine, ou même d’un nuage de gaz interstellaire, les astronomes ont recourt à ce phénomène découvert par Fraunhofer deux siècles auparavant: les raies spectrales.

Les raies spectrales permettent de connaître avec une grande précision la composition chimique d’un objet en regardant quelles longueurs d’ondes sont présentes dans la lumière qu’il émet, ou inversement quelles longueurs d’ondes sont manquantes dans la lumière qu’il absorbe et qui parvient ensuite jusqu’à nous.

Raies spectrales du mercure

Raies spectrales du mercure

Chaque élément de la nature possède ses propres raies spectrales, elles en sont leur véritable signature. On est donc capable en analysant le spectre lumineux d’une planète, d’une étoile, d’une nébuleuse, ou même de n’importe quelle matière laissant passer la lumière, d’en déterminer sa composition précise en repérant les raies caractéristiques d’émission ou d’absorption des éléments qui les composent.

Pourquoi chaque élément possède-t-il ses propres raies spectrales ?

Tout cela se passe à l’échelle quantique, mais pour comprendre ce qui suit il faudra abandonner l’ancien modèle atomique « planétaire » que la plupart d’entre nous avons appris à l’école. La physique quantique introduit la notion de probabilité et de fonction d’onde (que nous verrons plus loin dans cet article).

Chaque atome possède son cortège d’électrons qui gravitent autour de lui, ça ça ne change pas. Par contre les électrons ne gravitent plus selon des trajectoires circulaires et régulières, mais dans des zones en trois dimensions. C’est dans ces zones que nous aurons le plus de chance (95%) de trouver un électron, c’est ce que l’on appelle l’orbitale atomique en physique quantique. Une orbitale atomique ne pourra pas abriter plus de deux électrons.

Chaque atome possède des orbitales atomiques qui lui sont propres. En réalité chaque atome dispose de toutes les orbitales atomiques mais, selon l’élément dont il s’agit et donc de sa place dans le tableau périodique des éléments, certaines sont vides d’électrons et d’autres non.

Représentation tridimensionnelle d'orbitales atomiques (Crédits: Par Patricia.fidi [Public domain], via Wikimedia Commons)

Représentation tridimensionnelle d’orbitales atomiques
(Crédits: Par Patricia.fidi [Public domain], via Wikimedia Commons)

Les bases sont posées, maintenant nous allons voir ce qui se passe concrètement pour provoquer ces raies spectrales d’émission ou d’absorption.

Changement de niveau d'énergie par émission de photon (modèle de Bohr)

Changement de niveau d’énergie par émission de photon (modèle de Bohr)

Raies d’absorption

Lorsqu’un atome absorbe de l’énergie (il se réchauffe), ses électrons peuvent changer de niveau d’énergie et donc passer à une orbitale atomique de plus forte énergie. Pour ce faire il aura absorbé un photon d’une longueur d’onde bien précise, la longueur d’onde correspondant au niveau d’énergie qu’il aura fallu à l’électron pour changer d’orbitale atomique. Le rayon lumineux perdra donc beaucoup de ses photons de cette longueur d’onde bien précise. Cela apparaît donc sur son spectre comme une raie moins lumineuse au niveau de cette longueur d’onde.

Raies d’émission

Et inversement, lorsqu’un atome émet de l’énergie (il se refroidit), ses électrons vont passer à une orbite atomique de moindre énergie puisqu’il en perd. Pour cela il vont émettre un photon de la longueur d’onde correspondant à l’énergie perdue pour repasser à une orbitale atomique de moindre énergie. Cela se traduit par un spectre ne contenant que des photons de certaines longueurs d’onde.

Décalage de fréquence

Mais là ne s’arrête pas le pouvoir des raies spectrales ! Non seulement elles nous permettent de connaître la composition de la matière, mais également sa vitesse !! Comment ? En utilisant un effet que tout le monde à déjà expérimenté au quotidien: L’effet Doppler-Fizeau.

L’effet Doppler-Fizeau

Animation représentant l'effet Doppler-Fizeau (Crédit: Par Doleron (Travail personnel) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons)

Animation représentant l’effet Doppler-Fizeau
(Crédit: Par Doleron (Travail personnel) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons)

Vous avez déjà tous remarqué que le son émit par la sirène d’une ambulance ou le klaxon d’une voiture semble changer lorsqu’elle nous dépasse sur la route. Et ce n’est pas une impression, le son est une onde et comme toutes les ondes, elle est sensible à l’effet Doppler. Plus une onde acoustique possède une fréquence élevée et plus elle est aiguë, et inversement plus la fréquence est basse plus elle est grave. Or lorsqu’un objet émet des ondes tout en se déplaçant il va, d’une certaine manière, comprimer les ondes qui se trouvent devant lui.

Si l’on garde l’exemple ci-contre, la fréquence du son est donc différente selon que l’on se trouve derrière le véhicule, devant le véhicule, dans le véhicule, ou même si l’on est soi-même en mouvement par rapport au véhicule émetteur.

Cet effet est d’ailleurs couramment utilisé dans notre vie quotidienne dans les radars par exemple.

Le Redshift et le Blueshift

Cet effet s’applique également aux ondes électromagnétiques, il est appelé décalage vers le rouge/bleu ou Redshift/Blueshift en anglais. Pourquoi des couleurs ? Parce que, comme nous l’avons vu plus haut, la couleur perçue est directement liée à la longueur d’onde de l’onde reçue. Or si la fréquence augmente, la longueur d’onde diminue et le spectre se décale donc vers le bleu. A l’inverse, si la fréquence diminue, la longueur d’onde augmente et le spectre lumineux se décale vers la couleur rouge.

Cet effet est couramment utilisé en astronomie pour déterminer la vitesse de rapprochement ou d’éloignement d’un objet céleste. Concrètement, voici ce qu’il se passe sur le spectre:

Décalage vers le rouge du spectre électromagnétique. Au dessus le spectre de notre Soleil, en dessous celui d'un superamas de galaxies (BAS11) qui s'éloigne de nous. (Crédit: By Georg Wiora (Dr. Schorsch). CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons)

Décalage vers le rouge du spectre électromagnétique. Au dessus le spectre de notre Soleil, en dessous celui d’un superamas de galaxies (BAS11) qui s’éloigne de nous.
(Crédit: By Georg Wiora (Dr. Schorsch). CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons)

On voit clairement sur cet exemple que les raies spectrales significatives ont été décalées vers le coté rouge du spectre. Cela indique un éloignement de l’objet. Selon l’amplitude de ce décalage il est possible de calculer sa vitesse.

Il faut noter que si l’effet Doppler-Fizeau est responsable de ce type de décalage, un autre effet, relativiste celui-là, peut également provoquer les mêmes caractéristiques: La dilatation de l’espace consécutive à l’expansion de l’univers.

Dualité Onde – Corpuscule

Représentation visuelle de la dualité onde-corpuscule (Crédit: CNRS)

Représentation visuelle de la dualité onde-corpuscule
(Crédit: CNRS)

Depuis le début de cet article nous parlons de l’onde lumineuse, l’onde électromagnétique, mais saviez-vous que la lumière est une particule ? Vous connaissez le photon bien-sûr. Et là vous vous dites que je ne sais plus ce que je raconte 🙂

Alors ? Onde ou particule ?

Et bien la mécanique quantique, dans sa légendaire simplicité, nous dit que c’est les deux à la fois ! Il a été prouvé qu’un photon pouvait entrer en collision avec un électron, il est donc lui-même une particule. Mais on a aussi prouvé qu’un rayon lumineux pouvait être diffracté, c’est donc une onde. Et la lumière n’est pas la seule concernée puisque cette dualité concerne la totalité des objets physiques.

Comment est-ce possible ? Tout simplement parce que notre façon de nous le représenter n’est pas parfaite. Nos postulats d’onde et de particule nous obligent à les différencier selon le cas. Dans certains cas, la lumière se comportera comme une onde, on utilisera donc les outils relatifs à sa nature ondulatoire. Dans d’autres cas, elle se comportera comme une particule, on utilisera donc les outils relatifs à cette nature corpusculaire. Notre modèle de représentation nous force à effectuer cette différenciation. Pour se représenter cette situation, la métaphore du cylindre est la plus parlante.

Métaphore du cylindre, un cylindre est à la fois un cercle et un rectangle selon le point de vue.

Métaphore du cylindre, un cylindre est à la fois un cercle et un rectangle selon le point de vue.

Interférences et impacts ponctuels

Comment est-ce que cela a pu être mis en évidence ? Grace à la méthode des fentes de Young. Cette méthode consiste à démontrer le caractère ondulatoire d’un rayonnement en plaçant un émetteur face à une plaque opaque à ce rayonnement dans laquelle on a pratiqué deux fentes verticales. En face de ce montage on place une plaque sensible à ce rayonnement. Dans le cas de la lumière, une plaque photographique.

Expérience des fentes de Young

Expérience des fentes de Young

Le résultat de cette expérience est typiquement une figure de diffraction, due aux interférences entre les ondes traversant les deux fentes. La figure de diffraction est une série de raies verticales aux endroits où les ondes ont interféré entre-elles.

Motif caractéristique de diffraction de la lumière

Motif caractéristique de diffraction de la lumière

La lumière est donc une onde. Mais cela ne prouve pas qu’il s’agit d’une particule me direz-vous. Oui mais si l’on reproduit exactement la même expérience en utilisant un émetteur capable d’envoyer la lumière photon par photon que se passe-t-il ?

Expérience de Young avec une source d'émission dont le début est extrêmement ralenti.

Expérience de Young avec une source d’émission dont le débit est extrêmement ralenti.

Les impacts des photons deviennent visibles comme de petits points, ce qui traduit bien son caractère corpusculaire. S’il s’agissait d’une onde, on verrait très faiblement le motif de diffraction apparaître mais en aucun cas de petits points isolés. Le problème c’est que si son comportement était uniquement corpusculaire, en aucun cas les points d’impacts ne devraient présenter de motif de diffraction. S’il y a diffraction, c’est qu’il y a interférence, et donc qu’il y a un phénomène ondulatoire.

Fonction d’onde

Fonction d'onde de l'hydrogène

Fonction d’onde de l’hydrogène

Ce paragraphe donne des précisions sur la nature quantique d’un atome: La fonction d’onde. Je le place à titre informatif car il peut s’avérer un peu compliqué et n’est pas indispensable à la compréhension des concepts cités dans cet article.

La fonction d’onde est un outil de la mécanique quantique. Il s’agit de la probabilité de trouver une particule à un endroit donné en le mesurant. C’est ce qui est utilisé, par exemple, pour déterminer la position d’un électron autour de son atome comme vu plus haut dans cet article. Par exemple ici sur le schéma, la fonction d’onde de position des électrons autour d’un atome d’hydrogène.

Dans cet exemple, chaque case contient un triplé de valeurs. Ces valeurs permettent de décrire l’orbitale atomique.

  1. Nombre quantique principal: Quantifie l’énergie de l’ensemble électron / noyau, ou la couche électronique en d’autres termes.
  2. Nombre quantique azimutal: Il correspond à la sous-couche électronique, il ne peut donc pas dépasser la valeur du nombre quantique principal.
  3. Nombre quantique magnétique: Il correspond à l’orbitale. Une combinaison principal et azimutal donne le choix à plusieurs orbitales, c’est ce troisième chiffre qui les différencie en donnant l’orientation de l’orbitale quand l’atome est soumis à un champ magnétique.

A ces trois valeurs s’ajoute une quatrième non présente sur cette photo et correspondant au spin qui représente le moment angulaire.

Je m’arrête ici, mais si vous souhaitez approfondir la mécanique quantique et ses notions de base tout en restant dans la vulgarisation, je vous propose cet article plutôt bien fait sur le blog Science Etonnante. Mais si vous souhaitez quelque chose de plus précis et plus académique, je vous conseille ce cour sur la mécanique quantique de l’université Joseph Fourier de Grenoble.

Le laser

Enfin je terminerai cet article en abordant le phénomène particulier du laser. Avant toute chose qu’est-ce qu’un laser ?

Laser-optique

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Littéralement: Amplification de lumière par émission de radiation stimulée

Qu’est-ce qui se cache derrière cet acronyme si célèbre ? Un faisceau de lumière spatialement et temporellement cohérent.

Cet effet est applicable à tout rayonnement électromagnétique, c’est à dire qu’il est possible d’obtenir un laser de rayons ultraviolets, infrarouges, X et même gamma. L’ancêtre du laser fonctionnait d’ailleurs dans le domaine des micro-ondes et s’appelait un maser (m pour microwave).

Principe de fonctionnement

Pour construire un faisceau laser, deux composants principaux sont nécessaires.

Un amplificateur

Cristal de grenat d'Yttrium

Cristal de grenat d’Yttrium

Il s’agit d’un milieu amplificateur, généralement des cristaux particuliers comme le rubis ou le grenat d’yttrium dans lequel sont emprisonnés des terres rares comme le néodyme ou le titane. Le cristal ne sert que de matrice.

L’amplification à lieu par pompage optique. Il s’agit d’un concept quantique qui permet à un milieu amplificateur cristallin d’amplifier un signal optique par inversion de population.

Ça ne vous parle pas ? C’est normal 🙂 Nous verrons plus en détail ce que ce terme implique au niveau quantique dans un des paragraphes suivant sur les phénomènes physiques en jeu.

Un résonateur

Un résonateur, appelé aussi cavité laser, est un dispositif qui permet de forcer le faisceau à passer plusieurs fois dans son milieu amplificateur. Il est généralement constitué de deux miroirs (mais il peut y en avoir bien plus), dont l’un laisse passer une partie seulement de la lumière et en réfléchi une autre partie.

Schéma d'un résonateur laser (Crédit: OPUS)

Schéma d’un résonateur optique
(Crédit: OPUS)

Résonateur optique (Crédit: Laboratoire de Physique Experimentale )

Résonateur optique expérimental
(Crédit: Laboratoire de Physique Experimentale )

De cette façon le faisceau est amplifié à plusieurs reprises.

Phénomènes physiques en jeu

Le principal phénomène quantique qui entre en jeu, l’inversion de population, permet l’amplification optique du faisceau laser. Cela peut s’expliquer simplement.

Dans un matériaux à l’état d’équilibre, la plupart des atomes (population) se trouvent à un état d’énergie bas. Pour provoquer l’inversion de population il faut lui apporter de l’énergie (électrique ou optique).

Dans le cas d’un pompage optique, un flux lumineux (souvent provenant d’un autre laser) est envoyé au sein de ce matériaux amplificateur aura pour effet de porter ces atomes à un niveau d’énergie plus élevé, il y a alors inversion de population. Lorsque ces atomes repassent à un niveau inférieur, ils émettent des photons qui vont s’ajouter au flux lumineux de la source principale, il y a amplification.

Principe du pompage optique (3 positions) (Crédit: Optique-Ingénieur)

Principe du pompage optique (3 positions)
(Crédit: Optique-Ingénieur)

Les processus d’interaction qui ont lieu sont:

  • L’absorption: Un atome absorbe le photon de pompage et gagne un niveau d’énergie supérieur.
  • L’émission stimulée: Un atome déjà dans un état d’énergie élevé reçoit une onde électromagnétique et descend vers un état d’énergie moindre tout en émettant un photon qui vient amplifier le rayonnement.
  • L’émission spontanée: Un atome dans un état d’énergie élevé va, de lui-même, repasser à un niveau inférieur en émettant un photon sans aucun rayonnement déclencheur.

Conclusion

lightfibers-1200x0La lumière nous en fait voir de toutes les couleurs, entre mécanique quantique et effets relativistes, la connaître en profondeur a permis l’essor d’un grand nombre de technologies et d’inventions: L’échographe, le radar, le laser, le spectroscope, l’imagerie médicale, etc… Sans parler des possibilités que la connaissance de sa véritable nature offre aux astronomes du monde entier.

Vous l’avez peut-être relevé mais je n’ai pas abordé le concept de vitesse de la lumière. Pourquoi ? Parce que pour moi il s’agit avant tout d’une constante physique, elle pourrait faire l’objet d’un autre article plutôt axé sur la relativité plutôt que la mécanique quantique.

Pour faire un bref parallèle sur mon activité d’écrivain, ceux qui ont lu mon livre, L’Anomalie du Centaure, se souviennent peut-être de l’épisode concernant un Boeing modifié capable d’abattre un missile balistique en plein vol. Eh bien, il s’agit d’une application concrète du laser cité plus haut, cet appareil existe bel et bien et vous pouvez suivre ce lien si cela vous intéresse.

Je terminerai par un peu de teasing (une fois n’est pas coutume), vous retrouverez les lasers au grenat d’yttrium dans la suite de mon roman (en cours d’écriture), avec des applications impressionnantes…

(2 commentaires)

  1. northanger

    excellent !!!

    1. C.P. Rigel

      Merci 🙂

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