La nature de la lumière

L’observation courante montre que la lumière est constituée de rayons, qui se propagent en ligne droite s'ils ne rencontrent aucun obstacle. On les voit par exemple lorsque la lumière du soleil traverse un trou dans un nuage ou lorsque celle d'un pointeur laser est rendue visible par de la fumée ou de l'eau avec quelques gouttes de lait (pour que le rayon soit visible, il doit être diffusé par les inhomogénéités du milieu dans lequel il se propage). La propagation de la lumière en ligne droite explique aussi la formation des ombres.

Comme le son, la lumière est aussi une onde, c’est-à-dire une vibration qui se propage. Dans le cas du son c’est la pression de l’air qui varie. Dans le cas de la lumière, c’est un champ électromagnétique. La fréquence de vibration est très élevée pour la lumière : typiquement un million de milliard de vibrations par seconde alors que le son vibre typiquement mille fois dans le même temps.

À chaque fréquence de vibration correspond une couleur de l’arc-en-ciel : d’un bout à l’autre du spectre visible cette fréquence varie continûment, elle double quasiment quand on passe du violet au rouge profond. Pour le son l’équivalent est la hauteur de la note : les basses fréquences (l’analogue du rouge pour la lumière) correspondent aux notes graves, les hautes fréquences (l’analogue du bleu) aux notes aigües.

La vibration lumineuse se propage très vite : elle parcourt 300 000 km en une seconde alors que le son ne se déplace « que » de 340 mètres dans le même temps. Le déplacement d’une vibration prend la forme d’une succession de vagues espacées d’une certaine distance qu’on appelle longueur d’onde. On peut voir sur l’animation suivante que, pour une vitesse de propagation donnée, plus la fréquence de vibration est élevée (bleu) plus la longueur d’onde est courte. En musique on s’en rend compte en comparant la taille des instruments de différente tessiture : un instrument jouant aigu (fréquence élevée donc longueur d’onde courte) est plus petit que le même type d’instrument jouant grave (pour des questions de résonances la taille de l’instrument est reliée à la longueur d’onde du son émis).

Alors qu’on a l’habitude de caractériser la hauteur d’un son par sa fréquence (par exemple 440 Hz pour le diapason « La3 » habituellement utilisé pour accorder un instrument de musique), on préfère caractériser la lumière par sa longueur d’onde. Ici encore, les ordres de grandeur sont très différents entre son et lumière : alors que les longueurs d’onde sonores sont typiquement de l’ordre du cm ou du mètre, les longueurs d’onde lumineuses sont de l’ordre du µm (micron ou micromètre, c'est à dire millième de mm).

	Son (audible)	Lumière (visible)
Fréquences de vibration	de 20 (son très grave) à 20 000 (très aigu) vibrations par seconde	typiquement 1 million de milliards de vibrations par seconde
Vitesse de propagation (dans l’air)	340 m/s	300 000 km/s
Longueur d’onde	typiquement de l’ordre du cm (son aigu) ou du mètre (son grave)	de 0,4 µm (violet) à 0,8 µm (rouge profond) sachant que 1 µm est mille fois plus petit que 1 mm

Pour comprendre certains phénomènes colorés, nous avons besoin d’une autre caractéristique de la lumière : son énergie. Cette énergie est portée par des particules appelées photons, émises en grand nombre (un petit pointeur laser émet typiquement un million de milliard de photons par seconde !). Chaque photon transporte une énergie reliée à la fréquence de vibration de l’onde lumineuse : plus l’onde oscille rapidement plus l’énergie du photon est élevée. Le côté violet du spectre correspond aux hautes fréquences donc aux hautes énergies. A plus haute fréquence encore, on entre dans le domaine des ultra-violets, plus énergétiques et donc plus dangereux : les photons UV ont une énergie suffisante pour casser certaines molécules organiques.

Nous avons dit que la lumière est une onde électromagnétique. Or couramment quand on parle d'onde électromagnétique on pense plutôt à des ondes invisibles. De même qu'il existe des ondes acoustiques que l'oreille humaine n'entend pas (infrasons et ultrasons), il existe des ondes électromagnétiques que l'oeil humain ne voit pas : c'est une question de fréquence, nos yeux sont insensibles en dehors d'une certaine gamme. C'est le cas pour les ultraviolets (UV) qui nous font bronzer, les infrarouges (IR) qu'on utilise pour la vision nocturne car ils sont émis par les objets à température courante, mais aussi les rayons X utilisés en radiographie, les rayons gamma émis par la matière radioactive, et les ondes radio utilisées par la radio FM mais aussi par notre téléphone portable ou four à micro-ondes.

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