Lumière

La lumière est un rayonnement électromagnétique dans une certaine partie du spectre électromagnétique. Le mot se réfère généralement à la lumière visible, qui est le spectre visible visible par l’œil humain et responsable du sens de la vue. La lumière visible est généralement définie comme ayant des longueurs d’onde comprises entre 400 et 700 nanomètres (nm), ou entre 4,00 × 10-7 et 7,00 × 10-7 m, entre l’infrarouge (avec des longueurs d’onde plus longues) et l’ultraviolet (avec des longueurs d’onde plus courtes) . Cette longueur d’onde signifie une gamme de fréquences d’environ 430-750 térahertz (THz).

La principale source de lumière sur Terre est le Soleil. La lumière du soleil fournit l’énergie que les plantes vertes utilisent pour créer des sucres principalement sous la forme d’amidons, qui libèrent de l’énergie dans les êtres vivants qui les digèrent. Ce processus de photosynthèse fournit pratiquement toute l’énergie utilisée par les êtres vivants. Historiquement, une autre source importante de lumière pour les humains a été le feu, des anciens feux de camp aux lampes modernes au kérosène. Avec le développement des lumières électriques et des systèmes d’alimentation, l’éclairage électrique a remplacé efficacement la lumière du feu. Certaines espèces d’animaux génèrent leur propre lumière, un processus appelé bioluminescence. Par exemple, les lucioles utilisent la lumière pour localiser les partenaires, et les calmars de vampires l’utilisent pour se cacher de leurs proies.

Les propriétés primaires de la lumière visible sont l’intensité, la direction de propagation, le spectre de fréquence ou de longueur d’onde et la polarisation, tandis que sa vitesse dans le vide, 299.792.458 mètres par seconde, est l’une des constantes fondamentales de la nature. La lumière visible, comme avec tous les types de radiations électromagnétiques (EMR), se trouve expérimentalement se déplacer toujours à cette vitesse dans le vide.

En physique, le terme lumière désigne parfois un rayonnement électromagnétique de toute longueur d’onde, visible ou non. En ce sens, les rayons gamma, les rayons X, les micro-ondes et les ondes radio sont également légers. Comme tous les types de rayonnements EM, la lumière visible se propage sous forme d’ondes. Cependant, l’énergie transmise par les ondes est absorbée à des endroits uniques de la manière dont les particules sont absorbées. L’énergie absorbée des ondes EM est appelée un photon et représente les quanta de la lumière. Quand une vague de lumière est transformée et absorbée sous forme de photon, l’énergie de l’onde s’effondre instantanément à un seul endroit, et cet endroit est l’endroit où le photon «arrive». C’est ce qu’on appelle l’effondrement de la fonction d’onde. Cette nature de la lumière semblable à une onde et à une particule s’appelle la dualité onde-particule. L’étude de la lumière, appelée optique, est un domaine de recherche important en physique moderne.

Spectre électromagnétique et lumière visible
Généralement, le rayonnement EM, ou EMR (la désignation « radiation » exclut les champs électriques et magnétiques et proches), est classé par longueur d’onde en radio, micro-ondes, infrarouge, la région visible que nous percevons comme lumière, ultraviolet, rayons X et gamma des rayons.

Le comportement de EMR dépend de sa longueur d’onde. Les fréquences plus élevées ont des longueurs d’onde plus courtes et les fréquences plus basses ont des longueurs d’onde plus longues. Quand EMR interagit avec des atomes et des molécules simples, son comportement dépend de la quantité d’énergie par quantum qu’il porte.

EMR dans la région de la lumière visible se compose de quanta (appelés photons) qui sont à l’extrémité inférieure des énergies qui sont capables de provoquer une excitation électronique dans les molécules, ce qui conduit à des changements dans la liaison ou la chimie de la molécule. À l’extrémité inférieure du spectre de la lumière visible, EMR devient invisible aux humains (infrarouge) parce que ses photons n’ont plus assez d’énergie individuelle pour provoquer un changement moléculaire durable (un changement de conformation) dans la rétine de la rétine humaine. le changement déclenche la sensation de vision.

Il existe des animaux qui sont sensibles à divers types d’infrarouges, mais pas au moyen d’une absorption quantique. La détection infrarouge chez les serpents dépend d’une sorte d’imagerie thermique naturelle, dans laquelle de minuscules paquets d’eau cellulaire sont élevés en température par le rayonnement infrarouge. Le DME dans cette gamme provoque des vibrations moléculaires et des effets de chauffage, qui sont la façon dont ces animaux le détectent.

Au-dessus de la portée de la lumière visible, la lumière ultraviolette devient invisible aux humains, principalement parce qu’elle est absorbée par la cornée en dessous de 360 ​​nanomètres et la lentille interne en dessous de 400. En outre, les bâtonnets et les cônes situés dans la rétine courtes longueurs d’onde ultraviolettes (inférieures à 360 nm) et sont en effet endommagées par les ultraviolets. De nombreux animaux dont les yeux ne nécessitent pas de lentilles (tels que les insectes et les crevettes) sont capables de détecter les ultraviolets, par des mécanismes d’absorption de photons quantiques, de la même manière chimique que les humains détectent la lumière visible.

Diverses sources définissent la lumière visible aussi étroitement que 420 à 680 à aussi largement que 380 à 800 nm. Dans des conditions de laboratoire idéales, les gens peuvent voir l’infrarouge jusqu’à au moins 1050 nm; les enfants et les jeunes adultes peuvent percevoir les longueurs d’onde ultraviolettes jusqu’à environ 310 à 313 nm.

La croissance des plantes est également affectée par le spectre de la couleur de la lumière, un processus connu sous le nom de photomorphogenèse.

Vitesse de la lumière
La vitesse de la lumière dans le vide est définie comme étant exactement 299 792 458 m / s (environ 186,282 miles par seconde). La valeur fixe de la vitesse de la lumière dans les unités SI résulte du fait que le compteur est maintenant défini en termes de vitesse de la lumière. Toutes les formes de rayonnement électromagnétique se déplacent exactement à cette même vitesse dans le vide.

Différents physiciens ont tenté de mesurer la vitesse de la lumière à travers l’histoire. Galilée a tenté de mesurer la vitesse de la lumière au XVIIe siècle. Une première expérience pour mesurer la vitesse de la lumière a été menée par Ole Rømer, un physicien danois, en 1676. À l’aide d’un télescope, Rømer a observé les mouvements de Jupiter et l’une de ses lunes, Io. Notant les différences dans la période apparente de l’orbite de Io, il a calculé que la lumière prend environ 22 minutes pour traverser le diamètre de l’orbite terrestre. Cependant, sa taille n’était pas connue à ce moment-là. Si Rømer avait connu le diamètre de l’orbite terrestre, il aurait calculé une vitesse de 227 000 000 m / s.

Une autre mesure plus précise de la vitesse de la lumière a été effectuée L’Europe  par Hippolyte Fizeau en 1849. Fizeau dirigea un rayon de lumière sur un miroir à plusieurs kilomètres de là. Une roue dentée rotative a été placée sur le trajet du faisceau lumineux pendant son trajet entre la source et le miroir, puis a été ramenée à son origine. Fizeau a constaté qu’à une certaine vitesse de rotation, le faisceau passait à travers un trou dans la roue à la sortie et l’écart suivant au retour. Connaissant la distance au miroir, le nombre de dents sur la roue et le taux de rotation, Fizeau a pu calculer la vitesse de la lumière à 313 000 000 m / s.

Léon Foucault réalise une expérience qui utilise des miroirs rotatifs pour obtenir une valeur de 298 000 000 m / s en 1862. Albert A. Michelson mène des expériences sur la vitesse de la lumière de 1877 jusqu’à sa mort en 1931. Il perfectionne les méthodes de Foucault en 1926 des miroirs pour mesurer le temps qu’il a fallu pour faire un aller-retour du mont Wilson à Monter San Antonio dans Californie . Les mesures précises ont donné une vitesse de 299 796 000 m / s.

La vitesse effective de la lumière dans diverses substances transparentes contenant de la matière ordinaire est inférieure à celle du vide. Par exemple, la vitesse de la lumière dans l’eau est d’environ les 3/4 de celle dans le vide.

On a dit que deux équipes indépendantes de physiciens mettaient la lumière à un « arrêt complet » en la faisant passer à travers un condensat de Bose-Einstein de l’élément rubidium, une équipe à Harvard Université et l’Institut Rowland pour la science en Cambridge , Massachusetts , et l’autre à la Harvard-Smithsonian Centre pour l’astrophysique, également Cambridge . Cependant, la description populaire de la lumière étant « arrêtée » dans ces expériences se réfère seulement à la lumière qui est stockée dans les états excités des atomes, puis réémise à un moment ultérieur arbitraire, comme stimulé par une seconde impulsion laser. Pendant le temps où elle s’était « arrêtée », elle avait cessé d’être légère.

Optique
L’étude de la lumière et de l’interaction de la lumière et de la matière est appelée optique. L’observation et l’étude de phénomènes optiques tels que les arcs-en-ciel et les aurores boréales offrent de nombreux indices quant à la nature de la lumière.

Réfraction

Un exemple de réfraction de la lumière. La paille semble pliée, à cause de la réfraction de la lumière lorsqu’elle entre dans le liquide de l’air.

La réfraction est la courbure des rayons lumineux lorsqu’ils passent à travers une surface entre un matériau transparent et un autre. Il est décrit par la loi de Snell:


où θ1 est l’angle entre le rayon et la surface normale dans le premier milieu, θ2 est l’angle entre le rayon et la surface normale dans le second milieu, et n1 et n2 sont les indices de réfraction, n = 1 dans le vide et n> 1 dans une substance transparente.

Lorsqu’un faisceau de lumière franchit la limite entre un vide et un autre milieu, ou entre deux milieux différents, la longueur d’onde de la lumière change, mais la fréquence reste constante. Si le faisceau de lumière n’est pas orthogonal (ou plutôt normal) à la limite, le changement de longueur d’onde entraîne un changement dans la direction du faisceau. Ce changement de direction est appelé réfraction.

La qualité de réfraction des lentilles est fréquemment utilisée pour manipuler la lumière afin de changer la taille apparente des images. Loupes, lunettes, lentilles de contact, microscopes et télescopes réfringents sont autant d’exemples de cette manipulation.

Sources lumineuses
Il y a beaucoup de sources de lumière. Un corps à une température donnée émet un spectre caractéristique de rayonnement du corps noir. Une source thermique simple est la lumière solaire, le rayonnement émis par la chromosphère du Soleil à environ 6 000 kelvins (5 730 degrés Celsius) culminant dans la région visible du spectre électromagnétique lorsqu’il est tracé en longueurs d’onde et environ 44% de l’énergie solaire qui atteint le sol est visible. Un autre exemple est celui des ampoules à incandescence, qui émettent seulement environ 10% de leur énergie sous forme de lumière visible et le reste sous forme d’infrarouge. Une source de lumière thermique commune dans l’histoire est les particules solides incandescentes dans les flammes, mais celles-ci émettent également la plupart de leur rayonnement dans l’infrarouge, et seulement une fraction dans le spectre visible.

Le pic du spectre du corps noir se situe dans l’infrarouge profond, à une longueur d’onde d’environ 10 micromètres, pour des objets relativement froids comme les êtres humains. Lorsque la température augmente, le pic se déplace vers des longueurs d’onde plus courtes, produisant d’abord une lueur rouge, puis une lumière blanche et enfin une couleur bleu-blanc lorsque le pic sort de la partie visible du spectre pour pénétrer dans l’ultraviolet. Ces couleurs peuvent être vues lorsque le métal est chauffé à « rouge chaud » ou « blanc chaud ». L’émission thermique bleu-blanc n’est pas souvent observée, sauf dans les étoiles (la couleur bleu-vert communément observée dans une flamme de gaz ou une torche de soudeur est en effet due à l’émission moléculaire, notamment par les radicaux CH (émettant une bande de longueur d’onde de 425 nm, et n’est pas vu dans les étoiles ou le rayonnement thermique pur).

Les atomes émettent et absorbent la lumière aux énergies caractéristiques. Cela produit des « lignes d’émission » dans le spectre de chaque atome. L’émission peut être spontanée, comme dans les diodes électroluminescentes, les lampes à décharge (telles que les néons et les enseignes au néon, les lampes à vapeur de mercure, etc.) et les flammes (la lumière du gaz chaud lui-même). une flamme de gaz émet une lumière jaune caractéristique). L’émission peut également être stimulée, comme dans un laser ou un maser micro-ondes.

La décélération d’une particule chargée libre, telle qu’un électron, peut produire un rayonnement visible: le rayonnement cyclotron, le rayonnement synchrotron et le rayonnement de rayonnement de rayonnement en sont des exemples. Les particules se déplaçant dans un milieu plus rapidement que la vitesse de la lumière dans ce milieu peuvent produire un rayonnement Cherenkov visible. Certains produits chimiques produisent un rayonnement visible par chimioluminescence. Dans les êtres vivants, ce processus est appelé bioluminescence. Par exemple, les lucioles produisent de la lumière par ce moyen, et les bateaux qui se déplacent dans l’eau peuvent perturber le plancton qui produit un sillage lumineux.

Certaines substances produisent de la lumière lorsqu’elles sont éclairées par un rayonnement plus énergétique, un processus connu sous le nom de fluorescence. Certaines substances émettent de la lumière lentement après excitation par un rayonnement plus énergétique. Ceci est connu comme la phosphorescence. Les matériaux phosphorescents peuvent également être excités en les bombardant de particules subatomiques. Cathodoluminescence est un exemple. Ce mécanisme est utilisé dans les postes de télévision à tube cathodique et les moniteurs d’ordinateur.

Certains autres mécanismes peuvent produire de la lumière:

Bioluminescence
Rayonnement Cherenkov
Electroluminescence
Scintillation
Sonoluminescence
Triboluminescence

Lorsque le concept de lumière est destiné à inclure des photons de très haute énergie (rayons gamma), des mécanismes de génération supplémentaires comprennent:

Annihilation de particules et d’antiparticules
Désintégration radioactive

Légère pression
La lumière exerce une pression physique sur les objets sur son trajet, un phénomène qui peut être déduit par les équations de Maxwell, mais qui s’explique plus facilement par la nature particulaire de la lumière: les photons frappent et transmettent leur impulsion. La pression légère est égale à la puissance du faisceau lumineux divisée par c, la vitesse de la lumière. En raison de l’ampleur de c, l’effet de la pression légère est négligeable pour les objets de tous les jours. Par exemple, un pointeur laser d’un milliwatt exerce une force d’environ 3,3 piconewtons sur l’objet à éclairer; Ainsi, on pourrait soulever un sou américain avec des pointeurs laser, mais cela nécessiterait environ 30 milliards de pointeurs laser 1 mW. Cependant, dans les applications à l’échelle nanométrique telles que les systèmes nanoélectromécaniques (NEMS), l’effet de la pression légère est plus important et l’exploitation de la pression légère pour piloter les mécanismes NEMS et inverser les commutateurs physiques nanométriques dans les circuits intégrés est un domaine de recherche actif. . À plus grande échelle, une légère pression peut faire tourner les astéroïdes plus rapidement, agissant sur leurs formes irrégulières comme sur les pales d’un moulin à vent. La possibilité de fabriquer des voiles solaires qui accéléreraient les vaisseaux spatiaux est également à l’étude.

Bien que le mouvement du radiomètre de Crookes ait été initialement attribué à une légère pression, cette interprétation est incorrecte; la rotation caractéristique de Crookes est le résultat d’un vide partiel. Cela ne doit pas être confondu avec le radiomètre Nichols, dans lequel le (léger) mouvement provoqué par le couple (mais pas suffisant pour une rotation complète contre le frottement) est directement causé par une légère pression. À la suite d’une légère pression, Einstein prédit en 1909 l’existence d’un «frottement de rayonnement» qui s’opposerait au mouvement de la matière. Il a écrit, « le rayonnement va exercer une pression des deux côtés de la plaque. Les forces de pression exercées sur les deux côtés sont égales si la plaque est au repos. Cependant, s’il est en mouvement, plus de rayonnement se reflétera sur la surface qui est en avant pendant le mouvement (surface avant) que sur la surface arrière. La force de pression exercée vers l’arrière sur la surface avant est donc plus grande que la force de pression agissant sur le dos. Par conséquent, en tant que résultante des deux forces, il reste une force qui contrecarre le mouvement de la plaque et qui augmente avec la vitesse de la plaque. Nous appellerons cette «friction radiologique» résultante en bref.  »

Théories historiques sur la lumière, dans l’ordre chronologique
Au Ve siècle av. J.-C., Empédocle postule que tout est composé de quatre éléments; le feu, l’air, la terre et l’eau. Il a cru qu’Aphrodite a fait l’oeil humain des quatre éléments et qu’elle a allumé le feu dans l’oeil qui a brillé hors de l’oeil rendant la vue possible. Si cela était vrai, alors on pouvait voir pendant la nuit aussi bien que pendant la journée, donc Empedocles postule une interaction entre les rayons des yeux et les rayons d’une source telle que le soleil.

Dans environ 300 avant JC, Euclide écrit Optica, dans lequel il a étudié les propriétés de la lumière. Euclide postulé que la lumière voyageait en ligne droite et il décrivit les lois de la réflexion et les étudia mathématiquement. Il s’interroge sur le fait que la vue est le résultat d’un faisceau de l’œil, car il demande comment on voit les étoiles immédiatement, si l’on ferme les yeux, puis les ouvre la nuit. Si le faisceau de l’œil se déplace infiniment vite, ce n’est pas un problème.

En 55 av. J.-C., Lucrèce, un Romain qui poursuivait les idées des premiers atomistes grecs, écrivait: «La lumière et la chaleur du soleil, composées d’atomes minuscules qui, lorsqu’on les repousse, ne perdent pas de temps à tirer à travers l’interstice de l’air dans la direction donnée par le shove.  » (De Sur la nature de l’Univers). En dépit d’être semblable aux théories plus tard de particule, les vues de Lucrèce n’étaient pas généralement acceptées. Ptolémée (II e siècle) a écrit sur la réfraction de la lumière dans son livre Optics.

Classique Inde
Dans l’ancien Inde , les écoles hindoues de Samkhya et de Vaisheshika, autour des premiers siècles de notre ère, ont développé des théories sur la lumière. Selon l’école samkhya, la lumière est l’un des cinq éléments «subtils» fondamentaux (tanmatra) dont émergent les éléments grossiers. L’atomicité de ces éléments n’est pas spécifiquement mentionnée et il semble qu’ils aient été considérés comme continus. D’autre part, l’école Vaisheshika donne une théorie atomique du monde physique sur le fondement non-atomique de l’éther, de l’espace et du temps. (Voir l’atomisme indien.) Les atomes de base sont ceux de la terre (prthivi), de l’eau (pani), du feu (agni) et de l’air (vayu) Les rayons lumineux sont considérés comme un courant de haute vitesse. Les particules de lumière peuvent présenter des caractéristiques différentes selon la vitesse et les arrangements des atomes de tejas. Le Vishnu Purana se réfère à la lumière du soleil comme « les sept rayons du soleil ».

Les bouddhistes indiens, tels que Dignāga au 5ème siècle et Dharmakirti au 7ème siècle, ont développé un type d’atomisme qui est une philosophie de réalité composée d’entités atomiques qui sont des flashs momentanés de lumière ou d’énergie. Ils considéraient la lumière comme une entité atomique équivalente à l’énergie.

Descartes
René Descartes (1596-1650) a soutenu que la lumière était une propriété mécanique du corps lumineux, rejetant les «formes» d’Ibn al-Haytham et Witelo ainsi que les «espèces» de Bacon, Grosseteste et Kepler. En 1637, il publia une théorie de la réfraction de la lumière qui supposait, à tort, que la lumière voyageait plus vite dans un milieu plus dense que dans un milieu moins dense. Descartes est arrivé à cette conclusion par analogie avec le comportement des ondes sonores. Bien que Descartes se soit trompé sur les vitesses relatives, il avait raison de supposer que la lumière se comportait comme une onde et de conclure que la réfraction pouvait s’expliquer par la vitesse de la lumière dans différents milieux.

Descartes n’est pas le premier à utiliser les analogies mécaniques, mais parce qu’il affirme clairement que la lumière n’est qu’une propriété mécanique du corps lumineux et du milieu transmetteur, la théorie de la lumière de Descartes est considérée comme le début de l’optique physique moderne.

Théorie des particules
Pierre Gassendi (1592-1655), un atomiste, a proposé une théorie de la particule de la lumière qui a été publiée à titre posthume dans les années 1660. Isaac Newton a étudié le travail de Gassendi à un âge précoce, et a préféré son point de vue à la théorie de Descartes du plénum. Il a déclaré dans son Hypothèse de Lumière de 1675 que la lumière était composée de corpuscules (particules de matière) qui étaient émis dans toutes les directions à partir d’une source. Un des Newton Les arguments contre la nature ondulatoire de la lumière étaient que les vagues se courbaient autour des obstacles, alors que la lumière ne voyageait qu’en ligne droite. Il a cependant expliqué le phénomène de diffraction de la lumière (observé par Francesco Grimaldi) en permettant qu’une particule légère crée une onde localisée dans l’éther.

Newton La théorie pourrait être utilisée pour prédire la réflexion de la lumière, mais pourrait seulement expliquer la réfraction en supposant à tort que la lumière accélérait en entrant dans un milieu plus dense parce que la traction gravitationnelle était plus grande. Newton Il a publié la version finale de sa théorie dans ses Opticks de 1704. Sa réputation a aidé la théorie des particules de la lumière à dominer au cours du 18ème siècle. La théorie des particules de la lumière a conduit Laplace argumenter qu’un corps pourrait être si massif que la lumière ne pourrait pas s’en échapper. En d’autres termes, il deviendrait ce qu’on appelle maintenant un trou noir. Laplace il a retiré sa suggestion plus tard, après qu’une théorie de la lumière de la vague soit devenue fermement établie comme modèle pour la lumière (comme cela a été expliqué, ni une théorie de la particule ou de la vague n’est complètement correcte). Une traduction de Newton L’essai sur la lumière apparaît dans la structure à grande échelle de l’espace-temps, par Stephen Hawking et George FR Ellis.

Le fait que la lumière puisse être polarisée a été expliqué pour la première fois qualitativement par Newton en utilisant la théorie des particules. Étienne-Louis Malus en 1810 a créé une théorie mathématique des particules de polarisation. Jean-Baptiste Biot en 1812 a montré que cette théorie expliquait tous les phénomènes connus de polarisation de la lumière. A cette époque, la polarisation était considérée comme la preuve de la théorie des particules.

Théorie des ondes
Pour expliquer l’origine des couleurs, Robert Hooke (1635-1703) a développé une «théorie du pouls» et a comparé la diffusion de la lumière à celle des ondes dans l’eau dans son travail de 1665 Micrographia («Observation IX»). En 1672, Hooke a suggéré que les vibrations de la lumière pourraient être perpendiculaires à la direction de propagation. Christiaan Huygens (1629-1695) a élaboré une théorie mathématique de la lumière en 1678 et l’a publiée dans son Traité sur la lumière en 1690. Il a proposé que la lumière soit émise dans toutes les directions comme une série d’ondes dans un milieu appelé l’éther luminifère. . Comme les ondes ne sont pas affectées par la gravité, on a supposé qu’elles ralentissaient en entrant dans un milieu plus dense.

Christiaan Huygens.
La théorie des ondes prédit que les ondes lumineuses pourraient interférer les unes avec les autres comme les ondes sonores (comme l’a noté Thomas Young vers 1800). Young a montré au moyen d’une expérience de diffraction que la lumière se comportait en ondes. Il a également proposé que différentes couleurs étaient causées par différentes longueurs d’onde de la lumière, et expliqué la vision des couleurs en termes de récepteurs tricolores dans l’œil. Un autre partisan de la théorie des vagues était Leonhard Euler. Il a soutenu dans Nova theoria lucis et colorum (1746) que la diffraction pourrait être plus facilement expliquée par une théorie des ondes. En 1816, André-Marie Ampère a donné à Augustin-Jean Fresnel l’idée que la polarisation de la lumière peut s’expliquer par la théorie des ondes si la lumière était une onde transversale.

Plus tard, Fresnel développa indépendamment sa propre théorie de la vague et la présenta à l’Académie des Sciences en 1817. Siméon Denis Poisson ajouta au travail mathématique de Fresnel pour produire un argument convaincant en faveur de la théorie des vagues, aidant à renverser Newton La théorie corpusculaire. En 1821, Fresnel put montrer par des méthodes mathématiques que la polarisation pouvait s’expliquer par la théorie des ondes de la lumière et seulement si la lumière était entièrement transversale, sans aucune vibration longitudinale.

La faiblesse de la théorie des ondes était que les ondes lumineuses, comme les ondes sonores, auraient besoin d’un moyen de transmission. L’existence de la substance hypothétique éther luminifère proposée par Huygens en 1678 a été jetée dans le doute fort à la fin du dix-neuvième siècle par l’expérience de Michelson-Morley.

Newton La théorie corpusculaire impliquait que la lumière voyagerait plus vite dans un milieu plus dense, alors que la théorie des vagues de Huygens et d’autres impliquait le contraire. À ce moment-là, la vitesse de la lumière ne pouvait pas être mesurée avec suffisamment de précision pour décider quelle théorie était correcte. Le premier à faire une mesure suffisamment précise fut Léon Foucault, en 1850. Son résultat soutint la théorie des vagues, et la théorie des particules classiques fut finalement abandonnée, pour réémerger partiellement au 20ème siècle.

Théorie électromagnétique

Un rendu tridimensionnel d’une onde lumineuse linéairement polarisée, figée dans le temps et montrant les deux composantes oscillantes de la lumière; un champ électrique et un champ magnétique perpendiculaires entre eux et à la direction du mouvement (une onde transversale).
En 1845, Michael Faraday a découvert que le plan de polarisation de la lumière linéairement polarisée est tourné lorsque les rayons lumineux se déplacent le long de la direction du champ magnétique en présence d’un diélectrique transparent, un effet maintenant connu sous le nom de rotation de Faraday. C’était la première preuve que la lumière était liée à l’électromagnétisme. En 1846, il a spéculé que la lumière pourrait être une forme de perturbation se propageant le long des lignes de champ magnétique. Faraday a proposé en 1847 que la lumière était une vibration électromagnétique à haute fréquence, qui pourrait se propager même en l’absence d’un milieu tel que l’éther.

Le travail de Faraday a inspiré James Clerk Maxwell pour étudier le rayonnement électromagnétique et la lumière. Maxwell a découvert que les ondes électromagnétiques auto-propagatives voyageraient à travers l’espace à une vitesse constante, ce qui serait égal à la vitesse de la lumière précédemment mesurée. De cela, Maxwell a conclu que la lumière était une forme de rayonnement électromagnétique: il a d’abord énoncé ce résultat en 1862 dans On Physical Lines of Force. En 1873, il a publié un traité sur l’électricité et le magnétisme, qui contenait une description mathématique complète du comportement des champs électriques et magnétiques, encore connu sous le nom d’équations de Maxwell. Peu de temps après, Heinrich Hertz confirma expérimentalement la théorie de Maxwell en générant et détectant des ondes radio en laboratoire et en démontrant que ces ondes se comportaient exactement comme la lumière visible, présentant des propriétés telles que réflexion, réfraction, diffraction et interférence. La théorie de Maxwell et les expériences de Hertz conduisirent directement au développement de la radio, du radar, de la télévision, de l’imagerie électromagnétique et des communications sans fil modernes.

Dans la théorie quantique, les photons sont considérés comme des paquets d’ondes des ondes décrites dans la théorie classique de Maxwell. La théorie quantique était nécessaire pour expliquer les effets même avec la lumière visuelle que la théorie classique de Maxwell ne pouvait pas (comme les lignes spectrales).

Théorie des quanta
En 1900, Max Planck, en essayant d’expliquer le rayonnement du corps noir, a suggéré que, bien que la lumière soit une onde, ces ondes pourraient gagner ou perdre de l’énergie seulement en quantités finies liées à leur fréquence. Planck a appelé ces « morceaux » d’énergie lumineuse « quanta » (d’un mot latin pour « combien »). En 1905, Albert Einstein a utilisé l’idée des quanta de lumière pour expliquer l’effet photoélectrique, et a suggéré que ces quanta de lumière avaient une existence « réelle ». En 1923, Arthur Holly Compton a montré que le décalage de longueur d’onde observé lorsque des rayons X de faible intensité diffusés par des électrons (diffusion Compton) pouvait s’expliquer par une théorie des particules de rayons X, mais pas une théorie des ondes. En 1926, Gilbert N. Lewis a nommé ces photons de particules quantiques légères.

Finalement la théorie moderne de la mécanique quantique a fini par décrire la lumière comme (en quelque sorte) une particule et une onde, et (dans un autre sens) comme un phénomène qui n’est ni une particule ni une onde (qui sont en réalité des phénomènes macroscopiques). comme des balles de baseball ou des vagues de l’océan). Au lieu de cela, la physique moderne voit la lumière comme quelque chose qui peut parfois être décrit avec des mathématiques appropriées à un type de métaphore macroscopique (particules), et parfois une autre métaphore macroscopique (ondes d’eau), mais qui ne peut être entièrement imaginée. Comme dans le cas des ondes radio et des rayons X impliqués dans la diffusion Compton, les physiciens ont remarqué que le rayonnement électromagnétique tend à se comporter comme une onde classique à des fréquences plus basses, mais plus comme une particule classique à des fréquences plus élevées. qualités de l’un ou l’autre. La lumière visible, qui occupe une position moyenne dans la fréquence, peut facilement être décrite dans des expériences pour être descriptible en utilisant un modèle d’onde ou de particules, ou parfois les deux.

En février 2018, les scientifiques ont signalé, pour la première fois, la découverte d’une nouvelle forme de lumière, qui pourrait impliquer des polaritons, qui pourrait être utile dans le développement des ordinateurs quantiques.