Il est autour de nous et nous permet de voir le monde. Mais demandez à aucun de nous, et la plupart ne seront pas en mesure d'expliquer ce qu'est vraiment cette lumière. La lumière nous aide à comprendre le monde dans lequel nous vivons. Notre langage reflète cela: dans l'obscurité, nous nous déplaçons par le toucher, nous commençons à voir la lumière avec le début de l'aube. Et pourtant, nous sommes loin d'avoir une compréhension complète de la lumière. Si vous rapprochez un rayon de lumière, que contiendra-t-il? Oui, la lumière se déplace incroyablement vite, mais ne peut-elle pas être utilisée pour voyager? Et ainsi de suite.
Bien entendu, cela ne devrait pas être le cas. La lumière a intrigué les meilleurs esprits pendant des siècles, mais des découvertes marquantes au cours des 150 dernières années ont progressivement levé le voile du mystère sur ce mystère. Maintenant, nous comprenons plus ou moins ce que c'est.
Les physiciens de notre époque comprennent non seulement la nature de la lumière, mais essaient également de la contrôler avec une précision sans précédent - ce qui signifie que la lumière peut très bientôt être mise en œuvre de la manière la plus étonnante. Pour cette raison, les Nations Unies ont désigné 2015 comme l'Année internationale de la lumière.
La lumière peut être décrite de toutes sortes de manières. Mais cela vaut la peine de commencer par ceci: la lumière est une forme de rayonnement (rayonnement). Et cette comparaison a du sens. Nous savons que la lumière du soleil excessive peut provoquer un cancer de la peau. Nous savons également que l'exposition aux rayonnements peut vous exposer à certaines formes de cancer; il est facile de faire des parallèles.
Mais toutes les formes de rayonnement ne sont pas créées égales. À la fin du 19e siècle, les scientifiques ont pu déterminer l'essence exacte du rayonnement lumineux. Et le plus étrange, c'est que cette découverte n'est pas venue de l'étude de la lumière, mais de décennies de travail sur la nature de l'électricité et du magnétisme.
L'électricité et le magnétisme semblent être des choses complètement différentes. Mais des scientifiques comme Hans Christian Oersted et Michael Faraday ont constaté qu'ils sont profondément liés. Oersted a découvert qu'un courant électrique traversant un fil dévie l'aiguille d'un compas magnétique. Pendant ce temps, Faraday a découvert que le déplacement d'un aimant près d'un fil pouvait générer un courant électrique dans le fil.
Les mathématiciens de l'époque ont utilisé ces observations pour créer une théorie décrivant cet étrange phénomène nouveau, qu'ils ont appelé «électromagnétisme». Mais seul James Clerk Maxwell a pu décrire le tableau complet.
La contribution de Maxwell à la science peut difficilement être surestimée. Albert Einstein, qui s'est inspiré de Maxwell, a déclaré qu'il avait changé le monde pour toujours. Entre autres, ses calculs nous ont aidés à comprendre ce qu'est la lumière.
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Maxwell a montré que les champs électriques et magnétiques voyagent par ondes, et que ces ondes voyagent à la vitesse de la lumière. Cela a permis à Maxwell de prédire que la lumière elle-même est transportée par des ondes électromagnétiques - ce qui signifie que la lumière est une forme de rayonnement électromagnétique.
À la fin des années 1880, quelques années après la mort de Maxwell, le physicien allemand Heinrich Hertz fut le premier à démontrer officiellement que le concept théorique de Maxwell sur l'onde électromagnétique était correct.
«Je suis sûr que si Maxwell et Hertz vivaient à l’ère du prix Nobel, ils en auraient certainement un», déclare Graham Hall de l’université d’Aberdeen au Royaume-Uni - où Maxwell a travaillé à la fin des années 1850.
Maxwell se classe dans les annales de la science de la lumière pour une raison différente, plus pratique. En 1861, il a dévoilé la première photographie couleur stable utilisant le système de filtre tricolore, qui a jeté les bases de nombreuses formes de photographie couleur aujourd'hui.
L'expression même selon laquelle la lumière est une forme de rayonnement électromagnétique ne dit pas grand-chose. Mais cela aide à décrire ce que nous comprenons tous: la lumière est un spectre de couleurs. Cette observation remonte au travail d'Isaac Newton. Nous voyons le spectre de couleurs dans toute sa splendeur lorsqu'un arc-en-ciel s'élève dans le ciel - et ces couleurs sont directement liées au concept des ondes électromagnétiques de Maxwell.
La lumière rouge à une extrémité de l'arc-en-ciel est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde de 620 à 750 nanomètres; la couleur violette à l'autre extrémité est un rayonnement d'une longueur d'onde de 380 à 450 nm. Mais le rayonnement électromagnétique ne se limite pas aux couleurs visibles. La lumière avec une longueur d'onde plus longue que le rouge est ce que nous appelons infrarouge. La lumière avec une longueur d'onde plus courte que le violet est appelée ultraviolette. De nombreux animaux peuvent voir à la lumière ultraviolette, et certaines personnes peuvent aussi voir, dit Eleftherios Gulilmakis de l'Institut Max Planck pour l'optique quantique à Garching, en Allemagne. Dans certains cas, les gens voient même l'infrarouge. C'est peut-être pourquoi nous ne sommes pas surpris que nous appelions des formes de lumière ultraviolette et infrarouge.
Curieusement, cependant, si les longueurs d'onde deviennent encore plus courtes ou plus longues, nous cessons de les appeler «lumière». En dehors des ultraviolets, les ondes électromagnétiques peuvent être inférieures à 100 nm. C'est le domaine des rayons X et des rayons gamma. Avez-vous déjà entendu dire que les rayons X sont appelés une forme de lumière?
"Le scientifique ne dira pas" Je brille à travers l'objet avec la lumière des rayons X. " Il dira: «J'utilise des rayons X», dit Gulilmakis.
Pendant ce temps, au-delà des longueurs d'onde infrarouges et électromagnétiques, les ondes s'étendent jusqu'à 1 cm et même jusqu'à des milliers de kilomètres. Ces ondes électromagnétiques sont appelées micro-ondes ou ondes radio. Il peut sembler étrange à certains de percevoir les ondes radio comme de la lumière.
«Il n'y a pas beaucoup de différence physique entre les ondes radio et la lumière visible en termes de physique», explique Gulilmakis. "Vous les décrirez avec les mêmes équations et mathématiques." Seule notre perception quotidienne les distingue.
Ainsi, nous obtenons une définition différente de la lumière. Il s'agit d'une gamme très étroite de rayonnement électromagnétique que nos yeux peuvent voir. En d'autres termes, la lumière est une étiquette subjective que nous n'utilisons qu'en raison des limitations de nos sens.
Si vous voulez des preuves plus détaillées de la subjectivité de notre perception de la couleur, pensez à l'arc-en-ciel. La plupart des gens savent que le spectre de la lumière contient sept couleurs primaires: rouge, orange, jaune, vert, cyan, bleu et violet. Nous avons même des proverbes et des dictons pratiques sur les chasseurs qui veulent savoir où se trouve un faisan. Regardez un bel arc-en-ciel et essayez de voir les sept. Même Newton n'a pas réussi. Les scientifiques soupçonnent que le scientifique a divisé l'arc-en-ciel en sept couleurs, car le nombre «sept» était très important pour le monde antique: sept notes, sept jours de la semaine, etc.
Les travaux de Maxwell sur l'électromagnétisme nous ont amenés un peu plus loin et ont montré que la lumière visible faisait partie d'un large spectre de rayonnement. La vraie nature de la lumière est également devenue claire. Pendant des siècles, les scientifiques ont essayé de comprendre quelle forme prend réellement la lumière à une échelle fondamentale lorsqu'elle se déplace de la source lumineuse à nos yeux.
Certains croyaient que la lumière se déplace sous forme de vagues ou d'ondulations, à travers l'air ou le mystérieux «éther». D'autres pensaient que ce modèle d'onde était défectueux et considéraient la lumière comme un flux de minuscules particules. Newton s'est penché vers cette dernière opinion, surtout après une série d'expériences qu'il a menées avec la lumière et les miroirs.
Il s'est rendu compte que les rayons de lumière obéissent à des règles géométriques strictes. Un rayon de lumière réfléchi dans un miroir se comporte comme une balle lancée directement dans un miroir. Les vagues ne suivront pas nécessairement ces lignes droites prévisibles, a suggéré Newton, de sorte que la lumière doit être transportée par une certaine forme de minuscules particules sans masse.
Le problème est qu'il existe des preuves tout aussi convaincantes que la lumière est une onde. L'une des démonstrations les plus claires de cela a eu lieu en 1801. L'expérience de double fente Thomas Young, en principe, peut être réalisée indépendamment à la maison.
Prenez une feuille de carton épais et coupez-y soigneusement deux fines coupes verticales. Ensuite, prenez une source de lumière "cohérente" qui n'émettra que de la lumière d'une certaine longueur d'onde: un laser fera très bien l'affaire. Dirigez ensuite la lumière vers deux fentes pour qu'elle tombe sur l'autre surface lorsqu'elle passe à travers.
Vous vous attendez à voir deux lignes verticales brillantes sur la deuxième surface où la lumière a traversé les fentes. Mais quand Jung a fait l'expérience, il a vu une séquence de lignes claires et sombres comme un code à barres.
Lorsque la lumière passe à travers de fines fentes, elle se comporte comme des vagues d'eau qui traversent une ouverture étroite: elles se dispersent et se propagent sous forme d'ondulations hémisphériques.
Lorsque cette lumière passe à travers deux fentes, chaque onde amortit l'autre, formant des taches sombres. Lorsque les ondulations convergent, elles se complètent pour former des lignes verticales lumineuses. L'expérience de Young a littéralement confirmé le modèle d'onde, alors Maxwell a mis l'idée sous une forme mathématique solide. La lumière est une vague.
Mais ensuite, il y a eu une révolution quantique
Dans la seconde moitié du XIXe siècle, les physiciens ont tenté de comprendre comment et pourquoi certains matériaux absorbent et émettent mieux le rayonnement électromagnétique que d'autres. Il convient de noter qu'à l'époque, l'industrie de la lumière électrique ne faisait que se développer, les matériaux pouvant émettre de la lumière étaient donc une chose sérieuse.
Vers la fin du XIXe siècle, les scientifiques ont découvert que la quantité de rayonnement électromagnétique émise par un objet change avec sa température et mesuré ces changements. Mais personne ne savait pourquoi cela se produisait. En 1900, Max Planck a résolu ce problème. Il a constaté que les calculs peuvent expliquer ces changements, mais seulement si nous supposons que le rayonnement électromagnétique est transmis en minuscules portions discrètes. Planck les a appelés «quanta», le pluriel du latin «quantum». Quelques années plus tard, Einstein a pris ses idées comme base et a expliqué une autre expérience surprenante.
Les physiciens ont découvert qu'un morceau de métal se charge positivement lorsqu'il est irradié avec de la lumière visible ou ultraviolette. Cet effet a été appelé photoélectrique.
Les atomes du métal ont perdu des électrons chargés négativement. Apparemment, la lumière a fourni suffisamment d'énergie au métal pour qu'il libère une partie des électrons. Mais pourquoi les électrons ont fait cela n'était pas clair. Ils pourraient transporter plus d'énergie simplement en changeant la couleur de la lumière. En particulier, les électrons libérés par un métal irradié à la lumière violette transportaient plus d'énergie que les électrons libérés par un métal irradié à la lumière rouge.
Si la lumière n'était qu'une vague, ce serait ridicule
Habituellement, vous modifiez la quantité d'énergie dans la vague, la rendant plus élevée - imaginez un tsunami élevé de puissance destructrice - et non plus ou plus courte. Plus largement, le meilleur moyen d'augmenter l'énergie que la lumière transfère aux électrons est d'augmenter l'onde lumineuse, c'est-à-dire de rendre la lumière plus brillante. Changer la longueur d'onde, et donc la lumière, n'aurait pas dû faire beaucoup de différence.
Einstein s'est rendu compte que l'effet photoélectrique est plus facile à comprendre si vous représentez la lumière dans la terminologie des quanta de Planck.
Il a suggéré que la lumière est transportée par de minuscules morceaux quantiques. Chaque quantum porte une partie d'énergie discrète associée à une longueur d'onde: plus la longueur d'onde est courte, plus l'énergie est dense. Cela pourrait expliquer pourquoi les portions de longueur d'onde relativement courtes de la lumière violette transportent plus d'énergie que les portions relativement longues de lumière rouge.
Cela expliquerait également pourquoi le simple fait d'augmenter la luminosité de la lumière n'affecte pas vraiment le résultat.
Une lumière plus brillante fournit plus de portions de lumière au métal, mais cela ne change pas la quantité d'énergie transportée par chaque portion. En gros, une portion de lumière violette peut transférer plus d'énergie à un électron que de nombreuses portions de lumière rouge.
Einstein a appelé ces portions de photons d'énergie et sont maintenant reconnues comme des particules fondamentales. La lumière visible est transportée par les photons et d'autres formes de rayonnement électromagnétique telles que les rayons X, les micro-ondes et les ondes radio sont également véhiculées. En d'autres termes, la lumière est une particule.
Avec cela, les physiciens ont décidé de mettre fin au débat sur la composition de la lumière. Les deux modèles étaient si convaincants qu'il était inutile d'en abandonner un. À la surprise de nombreux non-physiciens, les scientifiques ont décidé que la lumière se comportait comme une particule et une onde en même temps. En d'autres termes, la lumière est un paradoxe.
Dans le même temps, les physiciens n'avaient pas de problèmes avec la double personnalité de la lumière. Cela, dans une certaine mesure, a rendu la lumière doublement utile. Aujourd'hui, en nous appuyant sur le travail des luminaires au sens littéral du terme - Maxwell et Einstein - nous extrayons tout de la lumière.
Il s'avère que les équations utilisées pour décrire les ondes lumineuses et les particules lumineuses fonctionnent aussi bien, mais dans certains cas, l'une est plus facile à utiliser que l'autre. Les physiciens basculent donc entre eux, tout comme nous utilisons des mètres pour décrire notre propre taille, et nous nous déplaçons en kilomètres pour décrire une randonnée à vélo.
Certains physiciens essaient d'utiliser la lumière pour créer des canaux de communication cryptés, par exemple pour les transferts d'argent. Il est logique pour eux de considérer la lumière comme des particules. Cela est dû à la nature étrange de la physique quantique. Deux particules fondamentales, comme une paire de photons, peuvent être «intriquées». Cela signifie qu'ils auront des propriétés communes, quelle que soit la distance l'un de l'autre, de sorte qu'ils peuvent être utilisés pour transférer des informations entre deux points sur Terre.
Une autre caractéristique de cet enchevêtrement est que l'état quantique des photons change lorsqu'ils sont lus. Cela signifie que si quelqu'un essaie d'écouter un canal crypté, en théorie, il trahira immédiatement sa présence.
D'autres, comme Gulilmakis, utilisent la lumière dans l'électronique. Ils trouvent plus utile d'imaginer la lumière comme une série d'ondes qui peuvent être apprivoisées et contrôlées. Les appareils modernes appelés "synthétiseurs de champ lumineux" peuvent combiner les ondes lumineuses en parfaite synchronisation les unes avec les autres. En conséquence, ils créent des impulsions de lumière qui sont plus intenses, de courte durée et plus directionnelles que la lumière d'une lampe conventionnelle.
Au cours des 15 dernières années, ces appareils ont appris à être utilisés pour apprivoiser la lumière à un degré extrême. En 2004, Gulilmakis et ses collègues ont appris à produire des impulsions de rayons X incroyablement courtes. Chaque impulsion ne durait que 250 attosecondes, soit 250 quintillions de secondes.
En utilisant ces minuscules impulsions comme un flash d'appareil photo, ils ont pu capturer des images d'ondes individuelles de lumière visible qui oscillent beaucoup plus lentement. Ils ont littéralement pris des photos de lumière en mouvement.
«Depuis l'époque de Maxwell, nous savions que la lumière est un champ électromagnétique oscillant, mais personne ne pensait même que nous pouvions prendre des photos de lumière oscillante», explique Gulilmakis.
L'observation de ces ondes de lumière individuelles était la première étape vers la manipulation et la modification de la lumière, dit-il, tout comme nous modifions les ondes radio pour transporter des signaux de radio et de télévision.
Il y a un siècle, l'effet photoélectrique montrait que la lumière visible affectait les électrons d'un métal. Gulilmakis dit qu'il devrait être possible de contrôler précisément ces électrons en utilisant des ondes de lumière visible modifiées pour interagir avec le métal d'une manière bien définie. «Nous pouvons manipuler la lumière et l'utiliser pour manipuler la matière», dit-il.
Cela pourrait révolutionner l'électronique, conduire à une nouvelle génération d'ordinateurs optiques qui seront plus petits et plus rapides que les nôtres. "Nous pouvons déplacer les électrons à notre guise, créant des courants électriques à l'intérieur des solides à l'aide de la lumière, et pas comme dans l'électronique ordinaire."
Voici une autre façon de décrire la lumière: c'est un instrument
Cependant, rien de nouveau. La vie utilise la lumière depuis que les premiers organismes primitifs ont développé des tissus sensibles à la lumière. Les yeux des gens captent les photons de la lumière visible, nous les utilisons pour étudier le monde qui l'entoure. La technologie moderne pousse cette idée encore plus loin. En 2014, le prix Nobel de chimie a été décerné aux chercheurs qui ont construit un microscope optique si puissant qu'il était considéré comme physiquement impossible. Il s'est avéré que si nous essayons, la lumière peut nous montrer des choses que nous pensions ne jamais voir.
