Depuis que Démocrite – un philosophe grec qui a vécu entre le 5e et le 4e siècle avant notre ère – a soutenu que toute l'existence était constituée de minuscules atomes indivisibles, les scientifiques ont spéculé sur la vraie nature de la lumière. Alors que les scientifiques se sont aventurés entre l'idée que la lumière était une particule ou une onde jusqu'à l'ère moderne, le 20e siècle a conduit à des percées qui nous ont montré qu'elle se comporte comme les deux.
Ceux-ci comprenaient la découverte de l'électron, le développement de la théorie quantique et la théorie d'Einstein. Théorie de la relativité . Cependant, il reste de nombreuses questions sans réponse sur la lumière, dont beaucoup découlent de sa double nature. Par exemple, comment se fait-il que la lumière puisse être apparemment sans masse, mais néanmoins se comporter comme une particule ? Et comment peut-elle se comporter comme une onde et passer dans le vide, alors que toutes les autres ondes nécessitent un milieu pour se propager ?
Théorie de la lumière au 19e siècle :
Au cours de la révolution scientifique, les scientifiques ont commencé à s'éloigner des théories scientifiques aristotéliciennes qui avaient été considérées comme des canons acceptés pendant des siècles. Cela incluait le rejet de la théorie de la lumière d'Aristote, qui la considérait comme une perturbation de l'air (l'un de ses quatre « éléments » qui composaient la matière), et l'adoption de la vision plus mécaniste selon laquelle la lumière était composée d'atomes indivisibles.
À bien des égards, cette théorie avait été prévue par les atomistes de l'Antiquité classique - tels que Démocrite et Lucrèce - qui considéraient tous deux la lumière comme une unité de matière émise par le soleil. Au 17ème siècle, plusieurs scientifiques ont émergé qui ont accepté ce point de vue, affirmant que la lumière était composée de particules discrètes (ou « corpuscules »). Cela comprenait Pierre Gassendi, un contemporain de René Descartes, Thomas Hobbes, Robert Boyle, et le plus célèbre, Monsieur Isaac Newton .
La première édition des Optiques de Newton : ou, un traité des réflexions, des réfractions, des inflexions et des couleurs de la lumière (1704). Crédit : domaine public.
La théorie corpusculaire de Newton était une élaboration de sa vision de la réalité comme une interaction de points matériels à travers des forces. Cette théorie resterait le point de vue scientifique accepté pendant plus de 100 ans, dont les principes ont été expliqués dans son traité de 1704 ' Optiques ou Traité des réflexions, réfractions, inflexions et couleurs de la lumière '. Selon Newton, les principes de la lumière pourraient se résumer ainsi :
- Chaque source de lumière émet un grand nombre de minuscules particules appelées corpuscules dans un milieu entourant la source.
- Ces corpuscules sont parfaitement élastiques, rigides et légers.
Cela représentait un défi à la 'théorie des ondes', qui avait été préconisée par l'astronome néerlandais du 17ème siècle Christiaan Huygens . . Ces théories ont été communiquées pour la première fois en 1678 à l'Académie des sciences de Paris et ont été publiées en 1690 dans son' Traité de la lumière '('Traité de la lumière'). Dans ce document, il a soutenu une version révisée des vues de Descartes, dans laquelle la vitesse de la lumière est infinie et se propage au moyen d'ondes sphériques émises le long du front d'onde.
Expérience à double fente :
Au début du XIXe siècle, les scientifiques ont commencé à rompre avec la théorie corpusculaire. Cela était dû en partie au fait que la théorie corpusculaire n'a pas réussi à expliquer de manière adéquate la diffraction, l'interférence et la polarisation de la lumière, mais aussi à cause de diverses expériences qui semblaient confirmer l'opinion toujours concurrente selon laquelle la lumière se comportait comme une onde.
Le plus célèbre d'entre eux était sans doute le Expérience à double fente , qui a été dirigé à l'origine par le mathématicien anglais Thomas Young en 1801 (bien que l'on pense que Sir Isaac Newton a dirigé quelque chose de similaire à son époque). Dans la version de Young de l'expérience, il a utilisé un morceau de papier avec des fentes découpées, puis a pointé une source de lumière vers eux pour mesurer comment la lumière la traversait.
Selon la théorie des particules classique (c'est-à-dire newtonienne), les résultats de l'expérience auraient dû correspondre aux fentes, les impacts sur l'écran apparaissant sur deux lignes verticales. Au lieu de cela, les résultats ont montré que les faisceaux de lumière cohérents interféraient, créant un motif de bandes lumineuses et sombres sur l'écran. Cela contredisait la théorie classique des particules, dans laquelle les particules n'interfèrent pas les unes avec les autres, mais entrent simplement en collision.
La seule explication possible de ce schéma d'interférence était que les faisceaux lumineux se comportaient en fait comme des ondes. Ainsi, cette expérience a dissipé l'idée que la lumière était constituée de corpuscules et a joué un rôle vital dans l'acceptation de la théorie ondulatoire de la lumière. Cependant, des recherches ultérieures, impliquant la découverte de l'électron et du rayonnement électromagnétique, conduiraient les scientifiques à considérer encore une fois que la lumière se comportait également comme une particule, donnant ainsi naissance à la théorie de la dualité onde-particule.
Électromagnétisme et relativité restreinte :
Avant les XIXe et XXe siècles, la vitesse de la lumière était déjà déterminée. Les premières mesures enregistrées ont été réalisées par l'astronome danois Ole Rømer, qui a démontré en 1676 en utilisant des mesures de la lumière de la lune Io de Jupiter pour montrer que la lumière se déplace à une vitesse finie (plutôt qu'instantanément).
Le professeur Albert Einstein prononçant la 11e conférence de Josiah Willard Gibbs lors de la réunion de l'American Association for the Advancement of Science le 28 décembre 1934. Crédit : AP Photo
À la fin du 19e siècle, James Clerk Maxwell a proposé que la lumière était une onde électromagnétique et a conçu plusieurs équations (connues sous le nom de Les équations de Maxwell ) pour décrire comment les champs électriques et magnétiques sont générés et modifiés les uns par les autres et par les charges et les courants. En effectuant des mesures de différents types de rayonnement (champs magnétiques, rayonnement ultraviolet et infrarouge), il a pu calculer la vitesse de la lumière dans le vide (représentée parc).
En 1905, Albert Einstein publié 'Sur l'électrodynamique des corps en mouvement», dans laquelle il avançait l'une de ses théories les plus célèbres et renversait des siècles de notions et d'orthodoxies acceptées. Dans son article, il a postulé que la vitesse de la lumière était la même dans tous les référentiels inertiels, quel que soit le mouvement de la source lumineuse ou la position de l'observateur.
L'exploration des conséquences de cette théorie l'a conduit à proposer sa théorie de Relativité restreinte , qui réconcilia les équations de Maxwell pour l'électricité et le magnétisme avec les lois de la mécanique, simplifiait les calculs mathématiques, et concordait avec la vitesse de la lumière directement observée et expliquait les aberrations observées. Il a également démontré que la vitesse de la lumière avait une pertinence en dehors du contexte de la lumière et de l'électromagnétisme.
D'une part, il a introduit l'idée que des changements majeurs se produisent lorsque les choses se déplacent près de la vitesse de la lumière, y compris le cadre espace-temps d'un corps en mouvement semblant ralentir et se contracter dans la direction du mouvement lorsqu'il est mesuré dans le cadre de l'observateur. Après des siècles de mesures de plus en plus précises, la vitesse de la lumière a été déterminée à 299 792 458 m/s en 1975.
Einstein et le photon :
En 1905, Einstein a également aidé à résoudre une grande partie de la confusion entourant le comportement du rayonnement électromagnétique lorsqu'il a proposé que les électrons soient émis par les atomes lorsqu'ils absorbent l'énergie de la lumière. Connu comme le effet photoélectrique , Einstein a basé son idée sur les travaux antérieurs de Planck avec les « corps noirs » - des matériaux qui absorbent l'énergie électromagnétique au lieu de la refléter (c'est-à-dire les corps blancs).
À l'époque, l'effet photoélectrique d'Einstein tentait d'expliquer le « problème du corps noir », dans lequel un corps noir émet un rayonnement électromagnétique en raison de la chaleur de l'objet. C'était un problème persistant dans le monde de la physique, résultant de la découverte de l'électron, qui n'avait eu lieu que huit ans auparavant (grâce aux physiciens britanniques dirigés par J.J. Thompson et des expériences utilisant des tubes à rayons cathodiques ).
À l'époque, les scientifiques croyaient encore que l'énergie électromagnétique se comportait comme une onde, et espéraient donc pouvoir l'expliquer en termes de physique classique. L'explication d'Einstein représentait une rupture avec cela, affirmant que le rayonnement électromagnétique se comportait de manière cohérente avec une particule - une forme quantifiée de lumière qu'il appelait 'photons'. Pour cette découverte, Einstein a reçu le prix Nobel en 1921.
Dualité onde-particule:
Les théories ultérieures sur le comportement de la lumière affineraient encore cette idée, qui comprenait le physicien français Louis-Victor de Broglie calculant la longueur d'onde à laquelle fonctionnait la lumière. Cela a été suivi par le 'principe d'incertitude' de Heisenberg (qui déclarait que mesurer la position d'un photon avec précision perturberait les mesures de sa quantité de mouvement et vice versa), et le paradoxe de Schrödinger qui prétendait que toutes les particules ont une 'fonction d'onde'.
Conformément à l'explication de la mécanique quantique, Schrödinger a proposé que toute l'information sur une particule (dans ce cas, un photon) soit codée dans sonfonction d'onde, une fonction à valeurs complexes à peu près analogue à l'amplitude d'une onde à chaque point de l'espace. À un certain endroit, la mesure de la fonction d'onde « s'effondrera » au hasard, ou plutôt « décohérera », à une fonction fortement culminée. Cela a été illustré dans le célèbre paradoxe de Schrödinger impliquant une boîte fermée, un chat et une fiole de poison (connue sous le nom de ' Chat de Schrödinger' paradoxe).
Vue d'artiste de deux photons voyageant à des longueurs d'onde différentes, produisant une lumière de couleur différente. Crédit : NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Selon sa théorie, la fonction d'onde évolue également selon une équation différentielle (aka. le équation de Schrödinger ). Pour les particules de masse, cette équation a des solutions ; mais pour les particules sans masse, aucune solution n'existait. D'autres expériences impliquant l'expérience Double-Slit ont confirmé la double nature des photons. où des appareils de mesure ont été incorporés pour observer les photons lorsqu'ils ont traversé les fentes.
Lorsque cela a été fait, les photons sont apparus sous forme de particules et leurs impacts sur l'écran correspondaient aux fentes - de minuscules taches de la taille de particules réparties en lignes droites verticales. En mettant en place un dispositif d'observation, la fonction d'onde des photons s'effondre et la lumière se comporte à nouveau comme des particules classiques. Comme l'avait prédit Schrödinger, cela ne pouvait être résolu qu'en affirmant que la lumière a une fonction d'onde et que son observation provoque l'effondrement de l'éventail des possibilités comportementales au point où son comportement devient prévisible.
Le développement de la théorie quantique des champs (QFT) a été conçu au cours des décennies suivantes pour résoudre une grande partie de l'ambiguïté autour de la dualité onde-particule. Et avec le temps, il a été démontré que cette théorie s'appliquait à d'autres particules et forces fondamentales d'interaction (telles que les forces nucléaires faibles et fortes). Aujourd'hui, les photons font partie du modèle standard de la physique des particules, où ils sont classés comme boson - une classe de particules subatomiques qui sont des vecteurs de force et n'ont pas de masse.
Alors, comment la lumière voyage-t-elle ? En gros, voyager à des vitesses incroyables (299 792 458 m/s) et à différentes longueurs d'onde, en fonction de son énergie. Il se comporte également à la fois comme une onde et une particule, capable de se propager à travers des milieux (comme l'air et l'eau) ainsi que l'espace. Il n'a pas de masse, mais peut toujours être absorbé, réfléchi ou réfracté s'il entre en contact avec un milieu. Et au final, la seule chose qui peut vraiment le détourner, ou l'arrêter, c'est la gravité (c'est-à-dire un trou noir).
Ce que nous avons appris sur la lumière et l'électromagnétisme est intrinsèque à la révolution qui a eu lieu en physique au début du 20e siècle, une révolution avec laquelle nous sommes aux prises depuis. Grâce aux efforts de scientifiques comme Maxwell, Planck, Einstein, Heisenberg et Schrödinger, nous avons beaucoup appris, mais nous avons encore beaucoup à apprendre.
Par exemple, son interaction avec la gravité (ainsi que les forces nucléaires faibles et fortes) reste un mystère. Déverrouiller cela et ainsi découvrir une théorie du tout (ToE) est quelque chose que les astronomes et les physiciens attendent avec impatience. Un jour, nous aurons peut-être tout compris !
Nous avons écrit de nombreux articles sur la lumière ici à Universe Today. Par exemple, voici Quelle est la vitesse de la lumière? , Quelle est la distance d'une année lumière ? , Qu'est-ce que la théorie de la relativité d'Einstein ?
Si vous souhaitez plus d'informations sur la lumière, consultez ces articles de L'hypertexte de physique et de la NASA Mission scientifique page.
Nous avons également enregistré un épisode entier d'Astronomy Cast sur les voyages interstellaires. Ecoute maintenant, Épisode 145 : Voyage interstellaire .