Quelques fondamentaux théoriques

La lumière, bien qu’elle semble familière, renferme une complexité qui a passionné les scientifiques pendant des siècles. Loin d’être un simple rayon lumineux, elle se révèle être une onde électromagnétique, un concept qui a révolutionné notre compréhension de l’Univers.

La composition de la lumière :

La lumière est constituée d’oscillations couplées de champs électriques et magnétiques qui se propagent dans l’espace. Ces oscillations se caractérisent par leur fréquence, qui détermine la couleur de la lumière que nous percevons, et par leur amplitude, qui correspond à son intensité.

Le spectre électromagnétique :

La lumière visible ne représente qu’une petite partie du spectre électromagnétique, qui s’étend des ondes radio aux rayons gamma, en passant par les micro-ondes, les infrarouges, les ultraviolets et les rayons X. Chaque type de rayonnement électromagnétique possède des caractéristiques et des applications spécifiques. Par exemple dans notre vie courante, les ondes radio sont utilisées pour les communications, les micro-ondes pour chauffer les aliments, les rayons X pour la radiographie médicale et les rayons gamma pour la stérilisation.

La lumière visible et l’œil humain :

Notre œil est sensible à une étroite bande de fréquences du spectre électromagnétique, que nous appelons la lumière visible. Les différentes couleurs que nous percevons correspondent à un continuum de longueurs d’onde : le rouge a la plus grande longueur d’onde, le violet a la plus petite.

La lumière présente plusieurs propriétés fondamentales :

• La propagation rectiligne: Dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite. C’est cette propriété qui permet la formation d’ombres.
• La vitesse de la lumière : Dans le vide la lumière se propage à une vitesse de 300000km/seconde. Cette vitesse est une constante fondamentale de la physique qui, suivant la théorie de la Relativité, ne peut être franchie par aucun corps en mouvement.
• La réflexion: Lorsqu’un rayon lumineux rencontre une surface, il peut être renvoyé dans une direction différente. C’est le phénomène de réflexion qui est à la base de la formation des images dans les miroirs.
• La réfraction: Lorsque la lumière passe d’un milieu à un autre (par exemple de l’air à l’eau), elle change de direction. Ce phénomène, appelé réfraction, est à l’origine de la formation des arcs-en-ciel et de l’illusion que la partie immergée d’un objet semble plus proche de la surface.
• La diffraction: Il s’agit d’un phénomène par lequel une onde lumineuse est déviée de sa trajectoire rectiligne lorsqu’elle rencontre un obstacle ou une ouverture de dimensions comparables à sa longueur d’onde. Ce phénomène, appelé diffraction, est à l’origine de la formation des franges que l’on observe lorsqu’un faisceau lumineux traverse une fente étroite.

La dualité onde-particule est un concept central en physique quantique qui stipule qu’un même objet physique peut, selon les conditions expérimentales, présenter à la fois des propriétés d’onde et des propriétés de particule. Il s’applique à la lumière (les photons) mais également à toute particule élémentaire massique (électrons, quarks…). Ce concept, tout contre-intuitif qu’il puisse paraître au regard de notre expérience du monde macroscopique, est au cœur de notre compréhension de la matière et de l’énergie à l’échelle atomique et subatomique.

Et bien qu’elle puisse sembler paradoxale, la dualité onde-particule est étayée par de nombreuses expériences et est à la base de nombreuses technologies modernes.

Expériences clés :

• L’effet photoélectrique : Cette expérience, pour laquelle Einstein a reçu le prix Nobel, montre que la lumière peut se comporter comme un flux de particules (photons) capable d’arracher des électrons d’une surface métallique.
• La diffraction des électrons : Des expériences ont montré que des faisceaux d’électrons, considérés comme des particules, peuvent diffracter lorsqu’ils traversent un réseau cristallin, un phénomène typiquement ondulatoire.
• L’expérience des fentes de Young : Initialement conçue pour la lumière, cette expérience a été reproduite avec des électrons. Les résultats montrent un patron d’interférence caractéristique des ondes, même lorsque les électrons sont envoyés un par un (cf la vidéo « Dualité onde-particule » ci-contre).

Support théorique :

La dualité onde-particule trouve son fondement dans l’équation de Schrödinger, équation centrale de la Mécanique Quantique (voir la page « Atomes et particules« ). Cette équation décrit l’évolution temporelle d’un système quantique et associe à toute particule une fonction d’onde, qui est une description probabiliste de l’état du système. Cette fonction d’onde présente des propriétés ondulatoires, expliquant ainsi les phénomènes d’interférence et de diffraction observés.

Le principe d’incertitude de Heisenberg est un autre pilier de la Mécanique Quantique qui est étroitement lié à la dualité onde-particule. Il stipule qu‘il est impossible de connaître simultanément avec une précision infinie la position et la quantité de mouvement d’une particule. Cette limitation fondamentale est une conséquence directe de la nature ondulatoire de la matière.

Implication dans notre vie quotidienne :

La dualité onde-particule, bien que contre-intuitive, a des implications profondes dans notre vie quotidienne. Les lasers, les transistors et les cellules photovoltaïques sont tous des exemples de technologies qui reposent sur les principes de la Mécanique Quantique et de la dualité onde-particule. Cette dualité est aussi essentielle pour comprendre la structure de l’atome et les interactions entre les particules élémentaires. Elle est également fondamentale pour comprendre les phénomènes astrophysiques tels que la formation des étoiles et la nature de la matière noire.

La lumière, qu’elle soit visible ou non, est l’outil principal dont disposent les astronomes pour étudier l’Univers. En analysant la lumière émise ou absorbée par les objets célestes, nous pouvons en déduire leur composition, leur température, leur mouvement et leur distance.

Ce que révèle la lumière :

La lumière nous permet d’observer une multitude de phénomènes et d’objets cosmiques et d’en déduire certaines de leurs caractéristiques :

• La composition: En décomposant la lumière en ses différentes couleurs (spectroscopie), on peut identifier les éléments chimiques présents dans les étoiles, les galaxies et les nébuleuses.
• La température: Les corps chauds émettent davantage de lumière dans les courtes longueurs d’onde (bleu, ultraviolet), tandis que les corps froids émettent principalement dans les longues longueurs d’onde (rouge, infrarouge).
• Le mouvement: L’effet Doppler, qui modifie la longueur d’onde de la lumière en fonction du mouvement de la source, permet de mesurer la vitesse des objets célestes.
• La distance: La luminosité apparente d’un objet, combinée à sa luminosité intrinsèque (si elle est connue), permet d’estimer des distances de plusieurs millions d’années-lumière. Et la mesure du décalage du spectre lumineux vers le rouge (redshift) permet d’aller à plusieurs milliards d’années-lumière, très proche du Big Bang.

Pour étudier la lumière cosmique, les astronomes utilisent une variété d’instruments (voir les pages « Les télescopes terrestres » et « Les télescopes spatiaux« ):

• Les télescopes optiques: Ils collectent la lumière visible et permettent d’observer les étoiles, les galaxies et les nébuleuses.
• Les radiotélescopes: Ils détectent les ondes radio émises par les objets célestes, comme les quasars, les pulsars et les molécules interstellaires.
• Les télescopes infrarouges: Ils observent la lumière infrarouge, qui permet de percer les nuages de poussière et d’étudier les objets froids.
• Les télescopes ultraviolets, X et gamma: Ils détectent les rayonnements de haute énergie émis par les objets les plus violents de l’Univers, comme les trous noirs et les étoiles à neutrons.

Voir loin, c’est voir dans le passé

La lumière se propage à une vitesse finie. Ainsi, lorsque nous observons un objet céleste lointain, nous le voyons tel qu’il était dans le passé, lorsqu’il a émis la lumière qui nous parvient aujourd’hui. Plus l’objet est loin, plus la lumière met de temps à nous parvenir. En étudiant les objets les plus lointains, nous pouvons ainsi remonter aux premiers âges de l’Univers.

Sensibilité et précision

La sensibilité des instruments d’observation a considérablement augmenté au cours des dernières décennies, permettant de détecter des objets de moins en moins brillants et de plus lointains. La précision des mesures a notamment été améliorée grâce aux progrès de l’électronique et de l’informatique.

Par exemple, le télescope spatial James Webb, lancé en 2021, permet, avec son miroir de 6,5m, de détecter les premières galaxies qui se sont formées dans l’Univers il y a environ 13 milliards d’années, soit peu de temps après le Big Bang.

Autre exemple, l’Extremely Large Telescope (ELT) qui devrait être mis en service en 2027 au nord du Chili, aura, avec son miroir de 39m, une résolution qui lui permettra d’obtenir des images directes d’exoplanètes et d’analyser leur atmosphère. Ce télescope permettra également de mesurer des changements de vélocité d’une étoile de 1 cm/s ce qui est suffisant pour détecter la présence de planètes de la taille de la Terre dans la zone habitable.

L’espace-temps, concept central de la Relativité Générale d’Einstein, n’est pas un simple cadre vide dans lequel se déroulent les événements. C’est un tissu dynamique, pouvant se courber, se tordre sous l’effet de la masse et de l’énergie. Cette courbure influence directement le mouvement de tout ce qui se trouve dans l’Univers, y compris la lumière. (voir également les pages « Distances et temps » et « Mouvements et gravitation« )

La lumière, une sonde de l’espace-temps :

La lumière, se déplaçant à la vitesse maximale constante dans le vide, est un outil idéal pour sonder les propriétés de l’espace-temps. En effet, sa trajectoire est déviée par la présence de masses, comme si elle suivait les courbures de l’espace-temps.

• La déviation de la lumière par les masses : Prédite par Einstein et confirmée lors de l’éclipse solaire de 1919, cette déviation est due à la courbure de l’espace-temps autour d’objets massifs comme les étoiles ou les galaxies. Les rayons lumineux en provenance d’une étoile lointaine sont en effet légèrement déviés lorsqu’ils passent près d’une étoile comme le Soleil, ce qui modifie sa position apparente dans le ciel. (voir également la page « Mouvements et gravitation« )
• La lentille gravitationnelle : Un phénomène plus spectaculaire encore est celui de la lentille gravitationnelle. Lorsque la lumière d’une galaxie lointaine passe près d’un objet massif intermédiaire, son chemin est dévié de telle sorte que l’image de la galaxie est déformée, voire multipliée. Cela crée des arcs lumineux caractéristiques ou des « anneaux d’Einstein » (cf l’image ci-contre prise par le télescope Hubble).
• Le décalage vers le rouge gravitationnel (décalage d’Einstein) : La lumière émise par une source située dans un champ gravitationnel fort subit un décalage vers le rouge. En d’autres termes, sa longueur d’onde est légèrement allongée. Ce phénomène est dû à la dilatation du temps gravitationnel, qui fait que les horloges tournent plus lentement dans un champ gravitationnel intense, conformément aux prédictions de la théorie de la Relativité (cf la page « Mouvements et gravitation« ).

Observations :

Les premières observations de la déviation de la lumière ont été réalisées lors d’éclipses solaires totales, à l’aide de télescopes terrestres. Dans les années 1970, es lentilles gravitationnelles ont été également découvertes grâce aux télescopes optiques.

Les télescopes spatiaux comme le JWST (James Webb Space Telescope), ainsi que les observatoires au sol équipés d’instruments de haute précision, permettent aujourd’hui d’étudier en détail les effets de la gravitation sur la lumière. Les missions spatiales comme Euclid, lancé en 2023, visent à cartographier la matière noire et l’énergie sombre en exploitant les effets de lentille gravitationnelle.

Les futures générations de télescopes, comme l’ELT (Extremely Large Telescope) prévu en 2028, devraient permettre de détecter des exoplanètes par la méthode des microlentilles gravitationnelles. Les observatoires d’ondes gravitationnelles, dont certains comme LIGO et Virgo déjà opérationnels, ouvrent également une nouvelle fenêtre sur l’univers en détectant ces « ondes d’espace-temps » émises par des événements cataclysmiques comme la fusion de trous noirs.