Qu'est-ce que la lumière ?

La lumière est quelque chose de très spécial, très loin en réalité de ressembler à ce que les gens imaginent... On représente la lumière sous la forme d'une onde comme le son de la radio mais qui se déplace beaucoup plus vite, de l'ordre de 300000 km/s dans le vide, soit 1 milliard de km/h !, alors que le son ne se déplace dans l'air qu'à 300 m/s (1080 km/h soit Mach 1 comme le disent les pilotes d'avion). C'est ce phénomène qui explique par exemple pourquoi tu vois immédiatement les éclairs (la lumière) durant un orage alors que le son n'arrive que plusieurs secondes plus tard. Même chose si tu vois une personne couper du bois à 150 m de distance; tu verras son geste mais tu n'entendras le coup de hache qu'une demi-seconde plus tard.

Ce décalage entre ce que tu vois et ce que tu entends est un phénomène déroutant car dans la vie de tous les jours ce phénomène ne se voit pas puisque tous les objets sont situés tout près de toi. En réalité il a toujours un décalage entre l'image et le son que tu perçois mais plus la distance augmente plus le décalage est important et saute aux yeux !

La force de la lumière

On pourrait écrire des livres entiers sur la lumière tellement elle pose de questions et demeure mystérieuse, ce qui rend son étude fascinante. Voici encore deux exemples.

 Tu penses sans doute comme tout le monde que la lumière est immatérielle, qu'on ne peut pas la toucher ou l'utiliser comme on utilise un jet d'eau et s'en servir pour pousser des objets. Or Einstein nous a appris qu'elle contient de l'énergie et qu'elle pouvait exercer une force sur les objets. On appelle cette force la pression de radiation. Elle est bien sûr très faible.

Ainsi dans l'espace les astronomes peuvent déployer des grandes voiles de plusieurs kilomètres de côté et s'en servir pour voyager, sans moteur, comme le fait un bateau à voile. Comment ?

En fait la lumière du Soleil contient des photons, sortes de particules ou d'ondes, qui viennent frapper la voile et la pousser très doucement. On peut ainsi utiliser la lumière pour voyager entre les planètes... Ce mode de propulsion ne fonctionne pas dans l'atmosphère car l'air et le vent soufflent plus fort que la pression des photons.

On peut aussi faire passer la lumière dans de fins tubes en verre (fibre optique) et l'utiliser pour éclairer des objets décoratifs ou des endroits inaccessibles. On se sert également de la fibre optique en informatique ou pour communiquer par téléphone, vidéo ou Internet car ces câbles peuvent transmettre beaucoup plus de signaux, des milliers de fois plus qu'un câble en cuivre ordinaire.

Le spectre électromagnétique

La lumière et les ondes en général ont beaucoup d'applications pratiques : on les utilise dans les panneaux solaires pour produire de l'électricité, dans les fours solaires pour produire de la chaleur ou encore dans les amplificateurs d'images pour rendre les images plus lumineuses la nuit. D'autres types de rayonnement (infrarouge, UV, X, gamma) sont utilisés dans l'industrie pour détecter des objets invisibles ou en médecine pour "voir" l'intérieur du corps humain. On y reviendra.

La lumière peut-être chaude ou froide, pâle ou brillante, en fonction de son énergie et de son intensité. Quand les physiciens parlent de la lumière de manière générale, ils ne considèrent pas seulement la lumière visible mais également les rayons invisibles comme les ultraviolets ou les infrarouges. Certains parlent même à tord de "lumière X" quand ils parlent des rayons X comme ceux utilisés dans les hôpitaux pour réaliser les radiographies du squelette.

Une onde se propageant dans un plan. En réalité elle se déplace dans les trois dimensions. Cette onde peut représenter de la lumière, le son émis par une radio ou la parole, en fait n'importe quel rayonnement électromagnétique.

Pour éviter de mélanger la vrai lumière visible avec les autres types de rayonnements, il est préférable de parler de rayonnement électromagnétique. L'ensemble de toutes ces ondes forme le spectre électromagnétique. En partant des basses vers les hautes énergies, des petites vers les hautes fréquences, le spectre électromagnétique comprend les ondes radio, infrarouges y compris thermiques, la lumière, les rayons ultraviolet, X et gamma.

Quels sont les effets des autres types de rayonnements ? Lorsque tu as pris un coup de soleil, la surface de ta peau a absorbé des rayons ultraviolets. Tu ne les vois pas, mais ils t'ont brûlé la peau ! Cela confirme une nouvelle fois que ce rayonnement transporte de l'énergie. Ils sont très dangereux et dans certains cas, si ta peau accumule trop d'énergie au beau de quelques années cela peut entraîner des maladies graves comme le cancer.

De l'autre côté du spectre se trouve le rayonnement infrarouge. C'est un rayonnement qui n'émet pas de la lumière mais de la chaleur; on parle de rayonnement thermique. Cette chaleur est indispensable à la vie sur Terre car sans la chaleur du Soleil et sans l'atmosphère, il ferait en moyenne -15°C sur Terre au lieu de +15°C ! Le rayonnement proche infrarouge qui se situe juste après la lumière rouge, peut être enregistré par certains appareils photos.

La couche d'ozone qui entoure la Terre nous protège des rayons UV et des effets néfastes du Soleil mais depuis quelques années, suite à la pollution de l'air et l'utilisation des bombes aérosols (sprays), cette couche protectrice s'amincit et disparaît même parfois localement comme nous l'avons observé au-dessus de l'Antarctique. Cette situation est inquiétante et peut à terme aveugler les animaux ou provoquer leur mort car ils ne peuvent pas se protéger avec des lunettes et des crèmes solaires !

Heureusement pour nous, l'atmosphère de la Terre agit comme un filtre et nous protège contre une partie des rayons ultraviolets les plus intenses et surtout des effets mortels des rayonnements X et gamma qui sont émis par le Soleil et certaines étoiles.

La radio et la télévision utilisent des ondes radio, dites hertziennes. Les ondes émises par les chaînes de radiodiffusion AM sont de basses ou moyennes fréquences (entre 1.6 MHz et 155 kHz soit entre 187 m et ~2 km de longueur d'onde). Leur longueur d'onde est tellement grande que les plus longues ne sont pas sensibles aux obstacles (gratte-ciel ou montagne) et peuvent donc parcourir des centaines de kilomètres sans être absorbées ou atténuées. Les radios publiques nationales les utilisent pour produire des émissions que l'on peut écouter à travers tout le pays.

En revanche, les ondes radio FM, celles des smartphones, les émissions des chaînes de télévision et les signaux micro-ondes des satellites ont des longueurs d'ondes de quelques mètres à quelques millimètres seulement, ce sont de très hautes fréquences (entre ~88 MHz et 100 GHz soit entre 3.4 m et ~3 mm de longueur d'onde), qui peuvent être bloquées par un obstacle. On les utilise pour émettre localement, à courtes distances. Rappelons que si les smartphones permettent de communiquer avec un correspondant à l'étranger c'est parce qu'il existe un réseau mondial d'antennes relais cellulaires (terrestre ou satellite) qui transfert les signaux d'antenne à antenne à travers les pays.

Entre les deux il y a les ondes-courtes de haute fréquence ou HF (entre 3 et 30 MHz soit entre 100 et 10 m de longueur d'onde). Elles sont utilisées par certaines radios diffusant des émissions à l'intention des personnes vivant à l'étranger (souvent sur un autre continent), par les gouvernements (les ambassades, les militaires, etc), certains services comme l'aviation, la Croix-Rouge ou les marins et par les radioamateurs. Si les conditions de propagation sont bonnes, sur 14 MHz (20 m), on peut contacter une personne vivant de l'autre côté de la Terre, à 12000 km de distance voire même au-delà !

A consulter : Le spectre électromagnétique entre 31.2 mHz et 6.52 EHz

Poster PDF en anglais conçu par Anthony Tekatch

Comment capturer l'énergie du Soleil ?

La lumière du Soleil transporte de l'énergie. Si tu es bricoleur, tu te demandes peut-être s'il est possible de récupérer cette énergie et de l'utiliser par exemple pour se chauffer ou faire tourner un moteur ?

Bien sûr, on peut le faire ! Et c'est même très intéressant si on veut éviter de polluer la planète. En effet, les stocks de pétrole ou de charbon sont en train de s'épuiser et un jour ou l'autre, dans moins de 100 ans, il faudra bien trouver une autre source d'énergie pour faire avancer les voitures et faire fonctionner les usines.

De la même manière qu'on utilise le charbon (et le pétrole) pour nous chauffer et le vent (les éoliennes) ou l'eau (centrales marées motrices) pour créer de l'électricité, on peut capter l'énergie solaire pour produire de l'électricité et alimenter tous les appareils électroménagers et domestiques que tu as à la maison. Mais à une condition : utiliser des panneaux solaires qui par réaction chimique avec le silicium vont produire de l'électricité qu'il suffira ensuite de stocker dans des batteries.

Ce système ne produit pas beaucoup d'électricité si on utilise de petites installations mais il offre l'avantage d'offrir une énergie qui ne pollue pas, qui ne fait aucun bruit et gratuite, à condition d'avoir du Soleil.

Actuellement, l'énergie solaire est surtout utilisée dans les pays pauvres où il y a beaucoup de Soleil. Elle sert aussi à produire de l'électricité pour les satellites en orbite autour de la Terre et accessoirement on l'utilise sur des voitures solaires ainsi que pour fournir de l'électricité à des habitants isolés qui installent des panneaux solaires sur le toit de leur maison ou dans leur jardin.

L'année-lumière pour remonter dans le temps

Puisque nous parlons de lumière, la vitesse de la lumière est utilisée en astronomie pour évaluer la distance des astres, principalement des étoiles et des galaxies. Prenons un exemple. Tu sais que telle personne habite à 200 m de chez toi, mais tu peux aussi dire qu'en marchant à 4 km/h elle habite à 3 minutes de chez toi. Tu peux donc utiliser une mesure de longueur ou le temps pour calculer une distance. Les astronomes font la même chose avec la lumière pour mesurer la distance des astres.

Ainsi, l'étoile la plus proche, Proxima du Centaure se situe à environ 41 mille milliards de km du Soleil. Mais personne ne peut s'imaginer une telle distance car c'est beaucoup trop grand. Sachant que la lumière parcourt 300000 km par seconde, il lui faut 137 millions de secondes pour atteindre cette étoile. Converti en heures puis en années (il y a 86344 secondes dans un jour, 365.25 jours dans une année et donc 31.5 millions de secondes dans une année), les astronomes préfèrent dirent que Proxima du Centaure se situe à 4.3 années-lumière (137 millions divisé par 31.5 millions), c'est-à-dire que si on voyage aussi vite que la lumière il faudrait 4.3 années pour atteindre cette étoile !

Cet amas de jeunes étoile s'appelle NGC 1818. Il est visible dans l'hémisphère sud dans le Grand Nuage de Magellan. Il se situe à 164000 années-lumière. A droite, la galaxie M83 dans l'Hydre. Elle est située encore plus loin à environ 40 millions d'années-lumière. Documents NASA/STSCI/HST et Adam Block.

Puisque la lumière met un certain temps pour atteindre la Terre, les évènements que tu vois dans le ciel se sont en fait déroulés dans le passé. Si le Soleil explosait maintenant, tu ne verrais pas l'explosion tout de suite et tu devras attendre 8 minutes pour l'observer, c'est le temps nécessaire pour que la lumière du Soleil arrive sur la Terre en voyageant à 300000 km/s ! Inversement, lorsque tu vois le dernier rayon de Soleil disparaître le soir, en réalité le Soleil est déjà couché depuis 8 minutes !

C'est ainsi qu'en observant les galaxies qui sont des amas d'étoiles, on a découvert qu'elles se situaient à plusieurs millions et même à des milliards d'années-lumière, c'est-à-dire que la lumière d'une galaxie que tu vois maintenant l'a quitté il y a plusieurs millions ou milliards d'années ! Regarder le ciel dans un télescope, c'est donc aussi remonter le temps et regarder le passé !

Le plus étonnant, si un extraterrestre regardait la Terre au télescope ou parvenait à capter nos émissions de télévision depuis une planète située à 75 années-lumière, il ne nous verrait pas. Puisque la lumière voyage avec une vitesse limitée, il recevait seulement aujourd'hui (admettons que nous sommes en 2019) les images des évènements qui se sont déroulés il y a 75 ans, vers 1944. Il verrait la Seconde guerre mondiale, la bataille d'Angleterre et le débarquement en Normandie ! S'il avait un très puissant télescope il verrait même tes grands-parents alors enfants jouer à la récré ! Incroyable mais vrai ! En revanche, notre extraterrestre devra attendre 75 ans pour voir ce que tu fais actuellement... La lumière est une vrai machine à remonter le temps, mais virtuellement, car malheureusement on ne peut pas l'utiliser pour faire réellement un voyage dans le passé ! Avec la lumière on peut regarder le passé mais pas le toucher !

Prochain chapitre

Les effets de la lumière

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