Comprendre l'espace > La lumière

Introduction

La lumière est la forme de l’énergie rayonnante qui se manifeste à nos yeux par la vision. Tous les corps à une température supérieure à celle du milieu qui les entoure émettent un rayonnement d’autant plus grand que la différence de température est elle-même plus grande ; ce rayonnement est obscur et purement calorifique en dessous de 500° environ ; au delà, il est lumineux. Il donne donc au corps chauffé un éclat d’autant plus grand que la température est élevée. A la surface de séparation des deux milieux, comme l’air à l’eau, une partie du rayonnement est réfléchie par la surface (réflexion) et l’autre pénètre dans l’intérieur avec une direction différente de celle d’incidence (réfraction).

Propagation

La lumière se propage dans les corps et dans le vide par ondulation à la vitesse de 300.000 km par secondes dans toutes les directions (expérience de Michelson) ; la longueur des ondes d’un rayon lumineux détermine ses propriétés physiques, et l’amplitude des ondes son intensité. Les phénomènes lumineux n’apparaissent à nos yeux que lorsque la longueur d’onde est suffisamment faible ; la lumière est tout d’abord rouge, puis prend successivement les diverses couleurs de l’arc-en-ciel, au fur et à mesure que la longueur d’onde diminue, jusqu’à une valeur minimum où le rayonnement cesse d’être lumineux. Un corps à température élevée émet toute la série des ondes depuis les plus longues jusqu’à celles correspondant à sa température. La lumière produite est complexe, et peut être analysée par des appareils basés sur la réfraction (spectroscope), qui, d’un faisceau incident linéaire, produisent une bande lumineuse ou spectre contenant toutes les couleurs qui composent le rayon. La partie du rayonnement qui précède le rouge de spectre se nomme l’infrarouge, elle est uniquement calorifique ; celle qui suit le violet est l’ultraviolet, c’est un rayonnement photochimique, qu’on peut enregistrer sur une plaque photographique.
Les corps sont plus ou moins transparents, c’est-à-dire qu’ils absorbent plus ou moins la lumière ; certains sont opaques et transforment l’énergie lumineuse qu’ils reçoivent en chaleur. La transformation qui s’opère dans les corps absorbants est toujours une dégradation, c’est-à-dire qu’elle se traduit par une émission d’ondes de plus grande longueur que celle d’origine (loi de Stokes). Cette émission est parfois lumineuse, c’est le cas où il y a absorption de rayons de courtes longueurs d’onde (violet, ultraviolet) et émission de rayons rouges ou jaunes ; cette émission peut être instantanée (fluorescence), ou prolongée après l’absorption (phosphorescence). Ces rayonnements ne contiennent généralement pas de rayons calorifiques.

Théorie de la lumière

La théorie de l’émission, reposant sur l’hypothèse que les corps chauds émettent dans toutes les directions des corpuscules animés de grande vitesse, a été remplacée par celle des ondulations lors de la découverte des phénomènes de diffraction. Elle se base sur l’existence d’un fluide impondérable, l’éther, qui entre en vibration sous certaines influences, les vibrations se transmettant dans sa masse comme celle des sons dans l’air. La théorie électromagnétique complétant celle des ondulations a permis de ramener à des phénomènes identiques les ondes hertziennes et les ondes lumineuses. Cependant, la découverte des rayons X et de ceux émis par le radium, rayons qui portent une charge électrique, empêchait l’unification théorique de l’ensemble des radiations connues. La théorie développée par de Broglie, de l’émission par les corps d’électrons vibrant dans le sens normal à celui de leur propagation rapproche tous les phénomènes connus les uns des autres, en donnant une masse très faible (celle d’un électron) à la radiation. Cette théorie a reçu dans ces dernières années des vérifications excellentes.

Vitesse de la lumière

En 1676, Rœmer, par des observations astronomiques sur un satellite de Jupiter, put calculer la vitesse de la lumière, pour laquelle il trouva 280.000 km/s. Cette valeur fut confirmée d’une autre manière par l’astronome Bradley en 1727.
Dans le courant du XIXe siècle, Fizeau fit la mesure directe entre deux points (Montmartre et Suresne) dont la distance aller-retour était de 17.266 m. Le résultat trouvé et corrigé donna 303.000 km/s. Enfin, la méthode de Foucault (1850), par le miroir tournant à grande vitesse et en opérant au laboratoire, fit obtenir des résultats plus précis conduisant à une vitesse de 298.000 km/s. Reprise plus tard par Michelson, la mesure donna 299.820 km/s.