Optique/Lumière

La lumière
Ce chapitre traite de la lumière, des avancées dans son étude et de sa nature.
Prérequis
Physique
Mathématiques

La lumière est le fondement de l'optique ; au cours des siècles, son étude, son utilisation et sa mesure ont amené les scientifiques à construire le corpus des connaissances reliées à l'optique. Dans la Grèce antique, c'est l'observation de mirages, d'arcs-en-ciel et du cortège des phénomènes atmosphériques reliés à la lumière qui a amené les premiers philosophes à s'intéresser au comportement de la lumière dans l'atmosphère.

La définition, l'approche et la mesure de la lumière ont beaucoup varié au cours du temps ; la lumière fut successivement définie comme un flux de particules, puis comme une onde, puis à nouveau comme des particules ; l'émergence de la mécanique quantique a permis d'associer ces deux définitions. La lumière est à la fois une onde et un flux de particules.

Dans le domaine de l'optique géométrique, la lumière est traitée comme un faisceau de rayons lumineux. Cette approche n'est valable que dans le cadre de certaines approximations et de multiples théories ont été développées dans ce domaine. Les rayons lumineux sont alors chacun caractérisés par une longueur d'onde donnée.

Dans le domaine de l'optique ondulatoire, la lumière est une onde électromagnétique engendrée par la coïncidence d'un champ électrique et d'un champ magnétique couplés par les fameuses équations de Maxwell.

La théorie corpusculaire de la lumière la décrit comme un faisceau de photons. Un photon est une particule de lumière et cette approche a permis de décrire de multiples phénomènes dont, par exemple, l'effet laser.

Ces trois domaines sont interdépendants et la lumière est surtout caractérisée par sa dualité onde-corpuscule. À la fois photon et onde, elle interagit avec les milieux qu'elle traverse et elle peut être produite par des des phénomènes et des sources extrêmement divers.

La nature de la lumière

Rapide historique

Les premiers travaux d'optique pratique visent la mise au point de lentilles et remontent aux anciens Égyptiens et Babyloniens.

C'est au Moyen-Âge, dans les sociétés arabo-musulmanes, qu'on a commencé à concevoir le rayon lumineux comme indépendant de l'œil humain. Un grand savant arabe dans ce domaine fut Ibn al-Haytham, plus connu sous le nom d'Alhazen. On a pu le qualifier de « père de l'optique ».

• Euclide fut l'auteur d'une théorie d'optique géométrique, les Catoptrica (Théorie des miroirs), qui vit apparaître la notion de rayon lumineux.
• À la même époque, Archimède a beaucoup travaillé dans ce domaine, même si la réalité historique de ses célèbres miroirs ardents embrasant les vaisseaux ennemis est plus douteuse.
• Héron d'Alexandrie a écrit également des Catoptrica.
• Au siècle suivant, Ptolémée rédigea une Optique. Il y traita des propriétés de la lumière, notamment de la réflexion, de la réfraction, et singulièrement de la réfraction atmosphérique, ainsi que de la couleur. Ses travaux sur la réflexion ont porté tant sur les miroirs plans que sur les miroirs sphériques. Pour la réfraction, s'il ne parvint pas à en définir la loi fondamentale, il montra que l'angle de réfraction croît en même temps que l'angle d'incidence et il établit des tables pour l'air et l'eau.

C'est avec Christian Huygens et surtout Isaac Newton que l'optique connut des développements théoriques notables : Newton, à l'aide de prismes et de lentilles, montra que la lumière blanche peut être non seulement décomposée en plusieurs lumières de différentes couleurs, mais aussi recomposée (cercle chromatique de Newton - voir aussi spectre lumineux).

• 1800 Découverte de l'infrarouge - (William Herschel)
• 1801 Découverte de l'ultraviolet - (Johann Wilhelm Ritter)
• 1801 Théorie de la diffraction - fentes de Young ; interférences (Joseph von Fraunhofer, George Biddell Airy, John William Strutt Rayleigh)
• 1801 Description de l'astigmatisme (Thomas Young)
• 1802 Calcul de la longueur d'onde de la lumière (Thomas Young) : 582 nm pour le jaune

• En 1848, découverte du lien entre activité optique et chiralité par Louis Pasteur (critère de Pasteur).
• Mesures de la vitesse de la lumière, expérience de Fizeau (1849), (Léon Foucault, Hippolyte Fizeau)

• En 2013 on découvre que certaines longueurs d'onde (au sein de la lumière que nous percevons comme bleue) endommagent certaines cellules pigmentaires du fond de l'œil humain. (cf longueur d'onde)

La dualité onde-corpuscule

La dualité onde-corpuscule de la lumière se retrouve dans les formules mêmes qui permettent de définir photon ou onde :

${\begin{aligned}E&={\frac {h}{\nu }}\\\nu &={\frac {c}{\lambda }}\end{aligned}}$

Sources

On distingue plusieurs types de sources, dites « primaires » et « secondaires ». En première approximation on qualifie de sources primaires celles qui engendrent la lumière et de sources secondaires celles qui ne font que la renvoyer.