Les observations astronomiques ont été réalisées : on aperçut des lumières dans le ciel : le Soleil, la Lune, des étoiles au firmament, des étoiles filantes… et l'on se rendit compte que cela gouvernait le cycle des journées (alternance jour / nuit), et le cycles des saison (durée du jour tout au long de l'année). Le feu produisait également de la lumière.
Dans l'Antiquité, on observa les cycles astronomiques, et l'on comprit les cycles provenant de la Lune (semaine). Dans la Grèce Antique, les philosophes de l'École de Milet croyaient encore que la Terre était plate, mais à partir de Parménide , philosophe présocratique, on admit que la Terre était sphérique. Cependant, dans certains livres d'Aristote, que l'on appela ultérieurement, au environ, métaphysique (méta = au-delà, donc ce qui ce qui est au-delà de la physis, qui signifie nature en grec ancien), les théories astronomiques partageaient le monde en un monde sublunaire, imparfait, et un monde supralunaire supposé être parfait. Dans cette représentation, le feu (Soleil) était l'un des quatre éléments fondamentaux, puisque l'on se rendit compte que la combustion produisait une lumière comparable au phénomène observé en provenance du Soleil ou des étoiles. La Terre était au centre de l'univers (géocentrisme), représentation que reprit Ptolémée au .
C'est ainsi que, dans la Grèce antique, l'une des civilisations les plus évoluées de l'Antiquité, on se représentait le monde. Il faut évidemment rappeler que les Grecs de l'Antiquité, pas plus Platon qu'Aristote qui lui était postérieur, puisqu'il fut élève de Platon, ne disposaient des apports techniques du , et a fortiori de notre époque. Seul l'astronome Aristarque de Samos, un peu postérieur à nos deux grands philosophes grecs, comprit que la Terre tournait autour du Soleil (héliocentrisme).
L'astronomie moderne apparaît lorsque Galilée, après l'invention de la lunette d'approche (probablement au début du par les Hollandais), en améliore les performances pour l'utiliser en astronomie (voir lunette astronomique). Il découvre des phénomènes qui n'étaient pas prévus par les théories existantes (taches solaires, montagnes sur la Lune, anneaux de Saturne, ...).
Assez rapidement, on développe des télescopes, qui confirment les mouvement respectifs de la Terre et du Soleil, qui ne pouvaient s'expliquer, en grande partie, qu'avec des formulations mathématiques :
Ces théories héliocentriques bouleversent la représentation du monde au , car les notions de mouvement et de force étaient habituellement auparavant employées avec un sens éthique.
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 une roue dentée réfléchissante.
Comportement ondulatoire de la lumière
En
1801,
Thomas Young expérimente la
diffraction et les
interférences de la lumière, mais il faudra attendre près d'un siècle pour que
James Clerk Maxwell explique ce phénomène : 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... les équations de Maxwell définissant le
rayonnement électromagnétique auront de nombreuses applications dès le , et encore plus au (radio,
télévision, informatique, satellites...).
La photographie permet aussi de fixer sur le papiers les images obtenues par les télescope, ce qui en rend la diffusion beaucoup plus aisée.
Comportement corpusculaire de la matière
En
1887,
Heinrich Rudolf Hertz décrit l'effet photoélectrique.
En
1900,
Max Planck énonce la théorie du
corps noir, puis
Albert Einstein en 1905 pousse plus loin l'étude de l'effet photoélectrique et démontre que la lumière à un comportement de
quanta d'énergie. Il a reçu le
prix Nobel de physique en 1921 pour son explication de l'effet photoélectrique.
En 1927, Louis de Broglie prolonge cette quantification en postulant qu'il y a une dualité onde-particule pour tout corpuscule : la notion de photon émerge alors. C'est un des premiers pas de la science moderne dans le domaine de la mécanique quantique.
Quelques années plus tard, la Théorie quantique des champs appronfondit le concept de photon.
Au , on applique les théories électromagnétiques à l'observation astronomique : après la Seconde Guerre mondiale, on met au point des télescopes qui recueillent les ondes électromagnétiques dans le spectre radio, les radiotélescopes. Cela présentait l'avantage de permettre de découvrir de nouveaux objets célestes. Ainsi naquit la radioastronomie. On emploie aussi maintenant des télescopes spatiaux pour éviter la pollution atmosphérique.
De nos jours, les astronomes font moins d'« observations » à l'œil nu. Les astronomes amateurs continuent néanmoins d'observer le ciel avec des lunettes astronomiques, qui sont dans leur principe, équivalentes à celle qu'employa Galilée à partir de 1609.
Théories
La lumière, comme tout phénomène de déplacement, peut se concevoir comme une onde ou comme un flux de particulesss (appelées en l'occurrence photon).
Les lois de Maxwell, ou à une échelle plus humaine les lois de l'optique géométrique, décrivent bien le comportement de ces ondes. Cette description classique est tout à fait valide et très utilisée au sein de la communauté scientifique. Cependant, elle n'explique pas la quantification de l'énergie transportée par le rayonnement, phénomène observé et expliqué par Albert Einstein dès 1913 en postulant l'existence des photons.
Toutefois, la physique moderne considère que chacun de ces photons peut lui-même être considéré comme une onde (ce qu'on appelle la dualité onde-particule ou onde-corpuscule en mécanique quantique).
Vitesse
La vitesse de la lumière dans le vide,
c (comme
célérité), est une constante de la physique. C'est la vitesse maximale permise pour tout déplacement d'information ou d'un objet matériel par la
théorie de la relativité.
Cette propriété a été induite de l'
expérience d'interférométrie de Michelson et Morley et a été clairement énoncée par
Albert Einstein en 1905.
De ce fait, la vitesse de la lumière est exacte, car elle ne dépend pas d'une mesure (imprécise et susceptible de changement avec des progrès de mesure). D'autres unités sont définies à partir de la vitesse de la lumière (cf. infra). Ainsi, la vitesse de la lumière dans le vide est de m/s.
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 V + c = c' est donc fausse dès lors que c = c' pour V différent de zéro. 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
À noter : 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 à beaucoup de gens 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.
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 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 en 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 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 380 000 000 mètres de nous.
Le
Soleil, l'étoile la plus proche, est à 150 000 000 000 mètres.
Ce n'est pas très pratique !!
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 de mètres (10 millions de milliards de mètres, soit 1016 m).
En pratique
La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques. De manière générale, une onde est caractérisée par sa longueur d'onde et sa phase.
La longueur d'onde correspond à la couleur de la lumière. Ainsi, une lumière constituée d'ondes de la même longueur d'onde, est dite monochromatique. Si en plus toutes les ondes ont la même phase, alors la lumière est cohérente : c'est ce qui se passe dans un laser.
Mesure
En matière de mesure de la lumière, il importe de bien définir de quoi on parle
La mesure de la lumière est compliquée par le fait qu'on s'intéresse, en pratique, à la lumière visible, alors que la perception humaine dépend de la longueur d'onde : Cf.
luminance et
chrominance.
Lumières célestes
- Le Soleil et plus généralement les étoiles produisent plus de rayonnement qu'ils n'en reçoivent,
- La Lune et plus généralement les petits corps célestess (les planète et leurs satellitess, les astéroïdess, les comète, etc.), produisent moins de rayonnement qu'ils n'en reçoivent. Certaines planètes géantes (comme Jupiter ou Saturne) produisent un peu plus de rayonnement qu'ils n'en reçoivent, mais pas suffisamment pour être facilement visibles à l'œil nu depuis la terre. Dans les deux cas, ces corps sont lumineux par réflexion de la lumière du Soleil.
- Les étoiles filantes sont échauffées par la friction avec l'air et finissent par y brûler. Ce phénomène est source de lumière.
Lumières chimiques
liquide : les lampes à
huile, à
pétrole, ou à
gaz,
solide : les bougies, chandelle (chandelier), cierge.
Lumières électriques
Les lumières électriques sont les sources les plus courantes de lumière aujourd'hui : lampadaires, spots, phares, lampes-torches, etc., elles peuvent utiliser un phénomène de chauffage ou un phénomène quantique.
L'ampoule électrique (« lampe à incandescence ») a révolutionné la vie quotidienne. La source de lumière provient de l'incandescence d'un filament lumineux.
Le tube fluorescent, la diode électroluminescente sont des lumières électriques, ainsi que le tube cathodique qui emploie la technique d'un bombardement d'électrons.
Lumières quantiques
- la fluorescence, les lasers, les lampes à vapeur de mercure ou de sodium, les plasmasss tels que ceux produits par les éclair dans les orages, produisent de la lumière issue de phénomènes quantiques au cœur des atomess : l'excitation des électron ('pompage optique'), peut être obtenu par excitation, puis désexcitation de ces électrons, qui en retournant à leur niveau d'énergie habituel, émettent des photons (lumière).
Autres lumières
- La phosphorescence est une source naturelle de lumière, de faible intensité.
- Les étincelles sont le produit d'une intense friction sur certains matériaux.
- L'émission de lumière due au frottement, ou , n'est pas d'origine thermique et elle ne se produit qu'avec des isolants électriques.
- Certains animaux et champignons sont capables de produire une lumière froide d'origine biochimique: en particulier des animaux nocturnes tels que différentes espèces de lucioles; ou des animaux marins des grandes profondeurs; ainsi que, en surface, certaines espèces de plancton.
Vision humaine
Voir l'article détaillé : Œil
Phénomènes optiques
Symbolisme de la lumière
La
lumière semble avoir fait l'objet d'une
interprétation symbolique dès que les hommes se sont mis à croire dans un au-delà. Depuis la possible déification du
feu, devenu élément
vital pour
l'Homme préhistorique, puis l'un des quatre éléments de la philosophie de la Grèce antique, jusqu'à la
théologie chrétienne de
Dieu comme 'lumière des lumières', l
'illumination étant présente dans de nombreuses
religionss, on n'a eu de cesse que de lui accorder des origines et
vertu surnaturelles.
Ses symboles sont universels et se déclinent sous des formes multiples :
Les
philosophes ont utilisé cette symbolique ; Ainsi,
Descartes affirmait-il dans
les Principes de la philosophie (
1644), que l'on pouvait s'appuyer sur les lumières
naturelles, sans les
lumières de la
foi, ce même Descartes s'étant intéressé de près à l'optique (la Dioptrique, 1637). C'était à l'époque où l'on a admis que la
Terre tournait autour du
Soleil (voir
Révolution copernicienne, ce qui a constitué un bouleversement dans les
représentations du
monde, et consécutivement dans les
représentations sociales.
L'expression « Lumières » pour désigner le courant philosophique européen (en particulier en France) qui a dérivé de cette conception plutôt mécaniste du monde et de l'univers a également donné son nom au siècle pendant lequel cette représentation sociale s'est mise en place, communément appelé le siècle des Lumières, et que Michel Foucault analyse dans les mots et les choses (voir aussi épistémè).
Georges Duby, dans le temps des cathédrales (1975), décrit également, sous l'angle artistique, la théologie de la Lumière, initiée à la basilique Saint-Denis au , qui est à l'origine de l'architecture dite gothique (mot apparu au et de l'émergence des cathédrales dites gothiques dans toute l'Europe.
Selon la théologie de la lumière, la lumière du ciel passe à travers les vitraux, où sont représentés des scènes de l'Ancien Testament et du Nouveau Testament, illustration imagée de notre catéchisme moderne, pour des populations qui étaient encore peu cultivées dans leur ensemble.
Voir aussi
Articles connexes
Liens externes
Lys
Valo
Lys
Ljus
)
basé sur la décomposition de la lumière blanche.