La lumière, source de la physique

La lumière est à l’origine de deux des plus grandes révolutions fondamentales de la physique : la physique quantique et la relativité.

Les scientifiques sont curieux et la lumière, bien mystérieuse, leur a posé de nombreuses questions.

D’abord sur son sens. Ils ont fini par se mettre d’accord que la lumière allait effectivement de l’objet à l’oeil qui l’interprétait, et non l’inverse…

Ils se sont ensuite interrogés sur la nature de la lumière. L’équipe du hollandais Christian Huygens pensait que la lumière était une onde, quelque chose de diffus et continu. Elle le prouvait facilement avec des expériences d’interférences. Indubitable.

Mais Isaac Newton et ses collègues pensaient que la lumière avait une nature corpusculaire. Qu’elle était formée de particules ponctuelles qui transférent de l’énergie à la matière à chaque intéraction de la lumière avec un objet. Einstein était de ceux-là et ses travaux sur cette propritété de transfert d’énergie, appelée “effet photoélectrique”, lui valurent le prix Nobel en 1921.

Les deux camps avaient donc des arguments qui se tenaient… Il fallut attendre Niels Bohr et 1927 pour mettre tout le monde d’accord. La lumière n’est ni une onde ni une particule : elle est les deux à la fois ! Ou plutôt elle se comporte selon les situations comme une onde ou comme des particules.Ainsi, avant de s’intéresser à la matière, la physique quantique s’est d’abord appliquée à résoudre ce grand débat sur la lumière. Les échanges d’énergie entre matière et lumière se font entre les photons de la lumière et les particules de matière, en particulier les électrons. Et ils se font selon des valeurs précises, des paquets d’énergie appelés « quanta », qui donnèrent son nom à la physique quantique qui étudie ces échanges et les particules impliquées.

Une fois son sens et sa nature établis, la lumière a encore fait parler d’elle à propos de sa vitesse. Lorsque vous êtes dans un train qui circule à 200 km/h et que vous vous déplacez à 10 km/h vers l’avant du train, un observateur extérieur vous voit avancer à 200+10 = 210 km/h. Si vous vous déplacez dans le train mais à contre-sens de celui-ci, l’observateur vous verra bouger à 190 km/h. C’est la loi de composition des vitesses. Elle est valable pour vous dans un train, pour une fléchette que vous lanceriez sur le pont d’un bateau et pour n’importe quel objet dans un environnement en mouvement. Sauf pour la lumière. Elle, elle a une vitesse tout à fait constante, d’environ 300 000 km/s, pour n’importe quel observateur (dans n’importe quel « référentiel »)

Cette notion est à la base de la relativité, restreinte et générale, d’Einstein, dont on fête respectivement les 110 et 100 ans cette année.

Relativité et physique quantique sont ainsi filles de la lumière. L’une s’intéresse à l’univers tout entier, l’autre en scrute les plus petits détails.Et c’est le lien entre les deux qui intrigue à présent les chercheurs. La réponse se trouve-t-elle encore dans l’étude de cet objet si particulier qu’est la lumière ?

La superposition des deux ondes donnent un résultat différent selon si "creux" ou "bosses" se rencontrent : c'est ce que l'on appelle "interférences"

La superposition des deux ondes donnent un résultat différent selon si « creux » ou « bosses » se rencontrent : c’est ce que l’on appelle « interférences »

Les interférences

Considérons la lumière sous forme d’onde, une sorte de vague avec ses creux et ses bosses. Lorsque deux ondes lumineuses de même intensité se rencontrent, il peut arriver qu’une bosse de la première vague se superpose exactement à un creux de la seconde : la lumière s’annule alors. Ainsi, lorsque l’on éclaire avec deux sources lumineuses, la lumière n’est pas forcément plus forte mais elle peut diminuer par endroit. C’est ce phénomène qui est appelé « interférence ».

L'effet photoélectrique se traduit par l'arrachage par les photons de la lumière de particules d'un matériau

L’effet photoélectrique se traduit par l’arrachage par les photons de la lumière de particules d’un matériau

L’effet photoélectrique

En percutant de la matière, la lumière en éjecte des particules appelées électrons. En fait, chaque particule de lumière, un photon, va rencontrer un électron et un échange d’énergie va se produire, comme dans tout choc. Le photon va perdre de l’énergie au profit de l’électron. Celui-ci ne pourra alors plus tenir en place bien rangé dans la matière et va en être éjecté.

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