LUMIÈRE

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On peut imaginer que, de tout temps, les hommes se sont intéressés à la lumière, celle du soleil qui éclaire et chauffe, puis celle domestiquée du feu. Indispensable à la perception du monde qui nous entoure, source d'énergie et de vie, messagère des informations les plus lointaines qui nous parviennent du fond de l'Univers, la lumière possède de multiples facettes.

En vingt-cinq siècles, les scientifiques ont élaboré de nombreuses théories autour de la lumière. Les plus anciennes étaient intimement liées à la notion de vision – comment l'image d'un objet peut-elle être perçue à distance grâce à la lumière –, puis la lumière fut progressivement un sujet d'étude en soi, à la fois pour établir les lois physiques qui décrivent son comportement, mais aussi pour en saisir la nature même et tenter de la classer parmi les objets connus : matériel ou immatériel, particule ou onde. Aujourd'hui, les scientifiques se sont forgé une idée nouvelle de ce qu'est la lumière. Ces conceptions sous-tendent deux grandes théories de la physique moderne : la physique quantique et la relativité.

Cet article propose une petite revue des différentes caractéristiques de la lumière, en s'appuyant sur les découvertes successives des scientifiques : sa vitesse et sa propagation dans les différents milieux, les manifestations de son caractère ondulatoire (interférences, diffraction, polarisation), sa production, son guidage, sa détection, son interaction avec la matière et sa nature intime (onde, particule ou les deux... ?).

Optique géométrique

C'est la plus ancienne des approches de la lumière, qui étudie son trajet et la formation des images. Dès l'Antiquité, Euclide rédigeait un traité d'optique comportant les notions de rayon lumineux, de propagation rectiligne et le principe de « retour inverse » de la lumière.

La réflexion

Nous avons l'intuition que la lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent comme l'air. C'est ainsi que nous pouvons reconstituer l'image des objets qui nous entourent. Le « rayon lumineux », émis par une source de lumière dite primaire – soleil, ampoule, etc. –, vient « frapper » l'objet – qui devient source secondaire – « rebondit » et parvient jusque dans notre œil pour y être perçu.

La loi physique qui régit le phénomène de réflexion de la lumière sur une surface, connue depuis l'Antiquité, très soigneusement vérifiée au Moyen Âge par le physicien arabe Alhazen, a été popularisée par Descartes (1625) : le rayon réfléchi est symétrique du rayon incident par rapport à la normale à la surface (fig. 1a). On peut ainsi expliquer la formation des images dans les miroirs plans, concave ou convexe.

Réflexion et réfraction de la lumière

Dessin : Réflexion et réfraction de la lumière

Réflexion et réfraction de la lumière. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La réfraction

Le passage d'un rayon lumineux d'un milieu à un autre (air-eau, air-verre, etc.) s'accompagne d'une déviation ; c'est le phénomène de réfraction. La loi de la réfraction de Snell-Descartes (fig. 1a) s'écrit n1 sin i1 = n2 sin i2, n1 et n2 étant les indices de réfraction des milieux successivement traversés. De 1 dans le vide, l'indice de réfraction passe à 1,3 dans l'eau, 1,5 dans le verre, 2,4 dans le diamant... Plus la différence d'indice est élevée, plus le rayon lumineux est dévié de sa trajectoire initiale. Il existe pour un couple d'indices n1,n2 (n1>n2) un angle au-delà duquel la lumière ne peut plus passer du premier milieu au second : il y a réflexion totale (fig. 1b).

La réfraction de la lumière peut être mise en évidence très simplement en regardant un bâton à moitié plongé dans l'eau : il parait brisé. Notre œil détecte « la fin » de la trajectoire du rayon lumineux dans l'air et le cerveau prolonge en ligne droite pour avoir l'image du point source dans l'eau ; n'intégrant pas la déviation que subit la lumière à la sortie de l'eau, ils reconstituent une fausse image du bout du bâton. C'est également le cas des mirages : la différence de température entre le sol (très chaud s'il s'agit du désert, très froid s'il s'agit d'un océan) et l'air conduit à une variation continue de l'indice de réfraction ; le rayon lumineux est alors courbé, donnant lieu à toutes sortes d'illusions d'optique.

La vitesse de la lumière dépend du milieu qu'elle traverse. L'indice de réfraction est inversem [...]

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Réflexion et réfraction de la lumière

Réflexion et réfraction de la lumière
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Lumière : phénomènes ondulatoires

Lumière : phénomènes ondulatoires
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Lumière : propagation du champ électromagnétique

Lumière : propagation du champ électromagnétique
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Ondes électromagnétiques

Ondes électromagnétiques
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Pour citer l’article

Séverine MARTRENCHARD-BARRA, « LUMIÈRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 06 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lumiere/