De quoi est composée la lumière?

La lumière est ce que l’on appelle une « onde électromagnétique », tout comme les ondes radio, les micro-ondes, les rayons X, etc. En fonction de la « fréquence » de l’onde électromagnétique (ou de la façon dont les pics de l’onde sont rapprochés), on obtient différents types d’ondes.

Par exemple, les ondes radio ont une fréquence assez basse, c’est-à-dire que les pics d’une onde radio sont assez éloignés les uns des autres. Viennent ensuite les micro-ondes, puis la lumière infrarouge, puis le spectre visible (c’est-à-dire les différentes couleurs de lumière que les gens peuvent voir), puis la lumière ultraviolette. Ensuite, les ondes de fréquence plus élevée sont appelées rayons X et encore plus élevées sont les rayons gamma – ces derniers ont les pics les plus rapprochés.

De quoi est composée la lumière?

La lumière est à la fois une particule et une onde. La lumière possède les propriétés d’une particule et d’une onde électromagnétique, mais pas toutes les propriétés de l’une ou l’autre. Elle est constituée de photons qui se déplacent sous forme d’ondes.

Le débat fait rage depuis des générations parmi les géants de la communauté des physiciens sur la nature de la lumière, à savoir s’il s’agit d’une particule ou d’une onde électromagnétique. Pendant des siècles, ce phénomène mystérieux et insaisissable a laissé les scientifiques perplexes car, à chaque expérience menée pour définir sa nature, son comportement semblait changer.

En termes simples, la lumière est l’une des étranges exceptions de la nature, et est considérée comme étant à la fois une onde et une particule. Cette variabilité est également l’un des principes fondamentaux de la théorie de la mécanique quantique. Voyons ce qui s’est passé au fil des ans lorsque les gens sont arrivés à cette importante conclusion.

Faits intéressants sur la lumière:

1. Les photons peuvent produire des ondes de choc dans l’eau ou l’air, semblables à des bangs soniques.

Rien ne peut se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide. Cependant, la lumière ralentit dans l’air, l’eau, le verre et d’autres matériaux lorsque les photons interagissent avec les atomes, ce qui a des conséquences intéressantes.

Les rayons gamma les plus énergétiques provenant de l’espace frappent l’atmosphère terrestre en se déplaçant plus vite que la vitesse de la lumière dans l’air. Ces photons produisent des ondes de choc dans l’air, un peu comme un bang sonique, mais l’effet est de produire plus de photons au lieu de sons.

Les observatoires comme VERITAS en Arizona recherchent ces photons secondaires, connus sous le nom de rayonnement Cherenkov. Les réacteurs nucléaires présentent également un rayonnement Tcherenkov dans l’eau entourant le combustible nucléaire.

2. La plupart des types de lumière sont invisibles pour nos yeux.

Les couleurs sont la façon dont notre cerveau interprète la longueur d’onde de la lumière : la distance parcourue par la lumière avant que la forme d’onde ne se répète. Mais les couleurs que nous voyons, appelées lumière « visible » ou « optique », ne sont qu’un petit échantillon du spectre électromagnétique total.

Le rouge est la lumière de plus grande longueur d’onde que nous voyons, mais si l’on étire davantage les ondes, on obtient des infrarouges, des micro-ondes (y compris celles avec lesquelles vous cuisinez) et des ondes radio. Les longueurs d’onde plus courtes que le violet couvrent les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.

La longueur d’onde est également un synonyme d’énergie : Les grandes longueurs d’onde de la lumière radio ont une faible énergie, et les rayons gamma à courte longueur d’onde ont la plus haute énergie, ce qui explique en grande partie pourquoi ils sont si dangereux pour les tissus vivants.

3. Les scientifiques peuvent effectuer des mesures sur des photons uniques.

La lumière est constituée de particules appelées photons, des paquets de champ électromagnétique qui transportent une quantité spécifique d’énergie. Avec des expériences suffisamment sensibles, vous pouvez compter les photons ou même effectuer des mesures sur un seul d’entre eux. Les chercheurs ont même réussi à geler temporairement la lumière.

Mais n’imaginez pas les photons comme des boules de billard. Ils sont aussi des ondes : ils peuvent interférer les uns avec les autres pour produire des motifs de lumière et d’obscurité. Le modèle du photon a été l’un des premiers triomphes de la physique quantique ; des travaux ultérieurs ont montré que les électrons et d’autres particules de matière avaient également des propriétés ondulatoires.

4. Les photons provenant des accélérateurs de particules sont utilisés en chimie et en biologie.

Les longueurs d’onde de la lumière visible sont plus grandes que les atomes et les molécules, si bien que nous ne pouvons littéralement pas voir les composants de la matière. En revanche, les courtes longueurs d’onde des rayons X et de la lumière ultraviolette sont adaptées à la visualisation de ces petites structures. Grâce aux méthodes permettant de voir ces types de lumière à haute énergie, les scientifiques ont un aperçu du monde atomique.

Les accélérateurs de particules peuvent produire des photons de longueurs d’onde spécifiques en accélérant des électrons à l’aide de champs magnétiques ; c’est ce qu’on appelle le « rayonnement synchrotron » Les chercheurs utilisent les accélérateurs de particules pour produire des rayons X et de la lumière ultraviolette afin d’étudier la structure des molécules et des virus et même de réaliser des films sur les réactions chimiques.

5. La lumière est la manifestation de l’une des quatre forces fondamentales de la nature.

Les photons sont porteurs de la force électromagnétique, l’une des quatre forces fondamentales (avec la force faible, la force forte et la gravité). Lorsqu’un électron se déplace dans l’espace, les autres particules chargées le ressentent grâce à l’attraction ou la répulsion électrique. L’effet étant limité par la vitesse de la lumière, les autres particules réagissent en fait à l’endroit où se trouvait l’électron plutôt qu’à celui où il se trouve réellement.

La physique quantique explique ce phénomène en décrivant l’espace vide comme une soupe bouillonnante de particules virtuelles. Les électrons émettent des photons virtuels, qui voyagent à la vitesse de la lumière et frappent d’autres particules, échangeant de l’énergie et de l’élan.

6. Les photons sont facilement créés et détruits.

Contrairement à la matière, toutes sortes de choses peuvent créer ou détruire des photons. Si vous lisez ceci sur un écran d’ordinateur, le rétroéclairage produit des photons qui se déplacent jusqu’à votre œil, où ils sont absorbés et détruits.

Le mouvement des électrons est responsable à la fois de la création et de la destruction des photons, et c’est le cas pour une grande partie de la production et de l’absorption de la lumière. Un électron qui se déplace dans un champ magnétique puissant génère des photons du seul fait de son accélération.

De même, lorsqu’un photon de la bonne longueur d’onde frappe un atome, il disparaît et transmet toute son énergie pour faire passer l’électron à un nouveau niveau d’énergie. Un nouveau photon est créé et émis lorsque l’électron retombe dans sa position initiale.

L’absorption et l’émission sont à l’origine du spectre lumineux unique de chaque type d’atome ou de molécule, qui est un moyen important pour les chimistes, les physiciens et les astronomes d’identifier les substances chimiques.

7. Lorsque la matière et l’antimatière s’annihilent, la lumière est un sous-produit.

Un électron et un positron ont la même masse, mais des propriétés quantiques opposées, comme la charge électrique. Lorsqu’ils se rencontrent, ces opposés s’annulent, convertissant les masses des particules en énergie sous la forme d’une paire de photons de rayons gamma.

8. On peut faire entrer en collision des photons pour créer des particules.

Les photons sont leurs propres antiparticules. Mais voici ce qui est amusant : les lois de la physique qui régissent les photons sont symétriques dans le temps. Cela signifie que si nous pouvons faire entrer en collision un électron et un positron pour obtenir deux photons de rayons gamma, nous devrions pouvoir faire entrer en collision deux photons de la bonne énergie et obtenir une paire électron-positron.

En pratique, c’est difficile à faire : les expériences réussies impliquent généralement d’autres particules que la lumière. Cependant, à l’intérieur du LHC, le nombre même de photons produits lors des collisions de protons fait que certains d’entre eux se heurtent occasionnellement.

Certains physiciens envisagent de construire un collisionneur photon-photon, qui enverrait des faisceaux de photons dans une cavité remplie d’autres photons afin d’étudier les particules issues des collisions.