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La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'?il humain. Outre la lumière visible, par extension, on appelle parfois « lumière » d'autres ondes électromagnétiques, tels que ceux situés dans les domaines infrarouge et ultraviolet.
[] Théories sur la lumière
La lumière, comme tout phénomène de déplacement, peut se concevoir comme une onde ou comme un flux de particules (appelées en l'occurrence photons).
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 de la lumière
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 définis à partir de la vitesse de la lumière (Cf. infra).
[] 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 plus en plus fausse 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 une des caractéristiques de la relativité restreinte ; la loi de composition des vitesses issue des transformations mathématiques de Lorentz donnent à la limite des faibles vitesses (par rapport à la vitesse c) les mêmes résultats que les transformations de Galilée.
[] Vitesse de la lumière dans les matériaux
A 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 sont à l'origine du 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. Mais 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.
[] Utilisation dans le SI
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 9 192 631 770 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. En 2005, il est défini comme la distance parcourue par la lumière en 1/299.792.458 de seconde. Il s'agit là d'une définition conventionnelle, toute évolution dans la définition de la seconde aurait un impact direct sur la longueur du mètre. Avec la définition actuelle de la seconde, le mètre est donc égal à
- <math> \frac </math> fois la longueur d'onde de la radiation choisie.
On peut également dire que la vitesse de la lumière dans le vide, est précisément 299.792.458 m.s-1 : il n'y a pas la moindre incertitude sur ce chiffre, l'incertitude ne réside que dans la définition de la seconde.
- Le mètre, avec ses multiples (millimètre, kilomètre), est très pratique pour mesurer les distances sur la Terre, par contre pour les astronomes, il est un peu court et peu adapté (puisque les astronome 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 étant la distance que la lumière parcourt en 1 an. Ainsi le Soleil n'est plus qu'à 8,32 minutes-lumière de nous. Et la Lune à seulement un peu plus d'1 seconde-lumière.
L'année-lumière vaut environ 10 000 000 000 000 000 de mètres (10 millions de milliards de mètres).
[] Lumière en pratique
[] Lumières monochromatiques et lumières polychromatiques
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 de la lumière
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 d'énergie qu'ils n'en reçoivent
- La Lune et plus généralement les petits corps célestes (les planètes et leurs satellites, les astéroïdes, les comètes, etc.), produisent moins d'énergie qu'ils n'en reçoivent. Certaines planètes géantes (comme Jupiter ou Saturne) produisent un peu plus d'énergie qu'elles n'en reçoivent, mais pas suffisamment pour être visibles. 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, les deux phénomènes étant source de lumière
[] Lumières chimiques
- liquide : les lampes à huile, à pétrole, ou à gaz, ...
- solide : les bougies, chandelle (chandelier), cierge, ...
[] lumières quantiques
- la fluorescence, les laser, les lampes à vapeur de mercure ou de sodium, les plasmas tels que ceux produits par les éclairs dans les orages produisent de la lumière issue de phénomènes quantiques au c?ur des atomes : l'excitation des électrons ("pompage optique", qui peut être obtenu par simple ), puis la désexcitation de ses électrons, qui retourne à un niveau d'énergie plus habituel, inférieur, en émettant un photon (c'est-à-dire de la lumière).
[] autres lumières
étincelles produit d'une intense friction, etc.
[] électriques
Les lumières électriques, sources de lumière de lampadaires, spots, phares, lampes-torches, etc., peuvent utiliser un phénomène de chauffage ou un phénomène quantique.
[] Vision humaine
Voir l'article détaillé : ?il
[] Phénomènes optiques
[] Imagerie
La lumière a fait l'objet d'une interprétation symbolique dès que les hommes se sont mis à croire dans un au-delà. Depuis la déification du feu, élément vital des hommes des cavernes, jusqu'à la théologie chrétienne de Dieu comme "lumière des lumières" on n'a eut de cesse que de lui accorder des origines et vertus surnaturelles. Ses symboles sont universels et se déclinent sous des formes multiples: le cercle solaire (symbole d'Aton, dieu égyptien, rosace "rayonnante" des cathédrales gothiques), la flèche ou le triangle (à l'image du rayon solaire comme pour les pyramides aztèques et égyptiennes).
[] Voir aussi
[] Liens externes
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