Le spectre lumineux
 

Le spectre lumineux


(spectre visible)

 

La lumière. 

«Et la lumière fut.»

Lorsque la salle s’obscurcit, c’est la lumière qui vous annonce que le film va commencer. C’est elle également, lorsque son intensité augmente, ou au contraire diminue, qui annonce le début d’un concert. C’est elle encore, au moment où on l’éteint, qui vous annonce que l’on va servir le gâteau d’anniversaire. Et dans la bible, c’est encore elle qui est au commencement du monde. 

La lumière est au commencement de beaucoup de choses. Et ce n’est pas par hasard que c’est elle, justement, qui ouvre nombre de sujets de cette plateforme: la lumière est le fondement de nombre de concepts et de savoirs. Elle est la base pour comprendre la couleur. Pour comprendre comment fonctionne votre écran. Ou même votre imprimante. Elle est la base pour comprendre la photographie. Ou ne serait-ce que pour comprendre comment il vous est possible de voir. 

Sans lumière, il n’y a pas de couleur. Et si vous voulez comprendre la couleur -réellement comprendre-, il vous faut comprendre la lumière. Alors si nous mettions quelques lumières sur ce sujet? 

Que diriez-vous de commencer par un peu de mécanique quantique? Je suis certain que vous vous réjouissez pouvoir glisser l’air de rien, lors de votre prochain café sur une terrasse, que vous venez de faire un peu de physique quantique. 

1. Que la lumière soit (La dualité onde-corpuscule)

Qu’est-ce que la lumière? 

Cette question, nombre de physiciens se la sont posée. Et ils sont longtemps restés en désaccord sur les différentes réponses à lui donner. 

Christian Huygens, un physicien néerlandais, fut le premier à émettre une théorie selon laquelle la lumière serait composée d'ondes. Et la discorde commença très vite, lorsque Isaac Newton lui opposa une théorie qui considérait la lumière comme un flot de petites particules (appelées également «corpuscules»). C’est là, dans les débats qui remontent au XVIIe siècle déjà, que s’affrontèrent deux théories: certains considéreraient la lumière comme une onde -la théorie ondulatoire- et d’autres comme un flot de petites particules telles de microscopiques billes lumineuses: la théorie des particules/corpuscules. 

C’est là, dans un débat remontant aussi loin que le XVIIe siècle, que l’idée de dualité prend ses racines.

 
 

Théorie ondulatoire de la lumière (Huygens).

Théorie corpusculaire de la lumière (Newton).

 
 

Huygens, le premier, décrivit la lumière comme une onde. Hélas, comme souvent dans la vie, être le premier et avoir raison ne garantit pas le succès: à la même époque, Newton lui oppose la théorie des corpuscules, et le prestige de Newton aidant, la théorie de Huygens sera mise de côté pendant presque un siècle. 

Il faudra attendre le début du XIXe siècle pour voir apparaître les premières expériences qui viennent confirmer la pertinence de la théorie de Huygens, et voir petit à petit la communauté scientifique considérer la lumière comme une onde. 

Mais ce n’est pas fini. 

En 1905, Einstein réintroduit l’idée que la lumière pourrait être formée de petites particules: les photons. Et il met tout le monde d’accord en affirmant que la lumière est à la fois une onde ET un flot de particules! 

Il mit ainsi fin à un combat d’idée de plusieurs siècles, et amena la notion de dualité onde-corpuscule: un des fondamentaux de la physique quantique! 

 

Note: Vingt ans plus tard, Louis de Broglie, un autre physicien, poussera la théorie d’Einstein encore plus loin, affirmant que toute matière (et pas seulement la lumière) a également une nature ondulatoire. À l’échelle de l’atome, les théories scientifiques modernes accordent désormais à tous les objets une double nature d'onde et de corpuscule.

 

2. Et la lumière fut (La métaphore du cylindre)

J’imagine votre regard perplexe et vos sourcils froncés. Vous regardez votre écran en vous demandant où je veux en venir et ce que j’ai bien pu mettre dans mon café ce matin, parce que ça n’a aucun sens. Comment la lumière pourrait-elle être à la fois une onde, et à la fois de la matière?! C’est paradoxal! 

Vous avez tout à fait raison. 
Et c’est là que cela devient intéressant! 

Il y a 2500 ans, avant Aristote, la Terre était plate. 
Il y a encore 1000 ans, avant Galilée, la Terre était au centre de l’Univers et le soleil lui tournait autour. 
Et il y a à peine 50 ans, en Suisse, les femmes n’avaient pas le droit de vote. 

Aujourd’hui, personne -à part quelques rares individus- ne viendrait soutenir ces conceptions. Pourtant, elles étaient communément admises -et défendues- à une époque. Et c’est normal. Chaque théorie est imparfaite, a ses limites, et est liée à une époque. Elles évoluent au fur et à mesure des nouvelles connaissances, et de l’évolution des mentalités. 

La physique moderne n’échappe pas à la règle: le paradoxe de la dualité onde-corpuscule ne montre pas qu’il y a un problème particulier avec la lumière: mais bien avec nos théories. Ce sont nos théories qui sont poussées dans leurs limites, et qui vont devoir évoluer vers de nouveaux concepts. Tout comme la conception d’une Terre plate a laissé place à la conception d’une Terre sphérique, nous allons devoir faire place à une conception où toute matière a une nature à la fois corpusculaire et ondulatoire.

 

Note: Cette plateforme est un parfait exemple de cette dynamique: elle dépend de ce que je sais, et évolue en fonction de ce que j’apprends. Chaque nouvelle connaissance apporte avec elle son lot de changements. Des changements qui impliquent parfois de remettre en question des choses pourtant bien établies. C’est le prix de l’évolution.

Quel que soit le domaine que vous souhaitez perfectionner, vous allez apprendre des notions. Puis un jour elles deviendront obsolètes, et vous devrez les abandonner, et laisser place à quelque chose de nouveau, pour aller encore plus loin! C’est exactement la même dynamique. Voilà pourquoi il est important de se remettre en question, d’apprendre sans cesse, et, avec respect pour ce que l’on savait jusque là, savoir le laisser pour faire place à quelque chose de nouveau.

 

Il est difficile d’appréhender des notions à priori contradictoires telles que cette dualité onde-corpuscule. Je vous le concède. Pourtant, il est un exemple qui va illuminer votre esprit, et vous permettre de comprendre cette notion: la métaphore du cylindre.
Préparez-vous à découvrir toute la beauté de la physique quantique!

Le cylindre est le parfait exemple d'un objet ayant des propriétés apparemment inconciliables: il peut avoir à la fois les propriétés d'un cercle et d'un rectangle. 

En deux dimensions, vous conviendrez qu’un objet est soit un cercle, soit un rectangle. Il ne peut pas avoir les deux propriétés à la fois. 

 
 
Un objet est soit un cercle, soit un rectangle. Il ne peut pas avoir les deux propriétés à la fois.
 
 

Mais quand est-il en trois dimensions? 

Prenez un cylindre: dans l'axe du cylindre son ombre forme un cercle. Et si l’on est perpendiculairement à cet axe, l’ombre forme cette-fois-ci un rectangle. Le cylindre a à la fois les propriétés d’un cercle et d’un rectangle; cela dépend uniquement de la façon dont on l’observe. 

 
 
201905-Influenz-M003-Lumiere-4B.png

La métaphore du cylindre.

La métaphore du cylindre est un excellent moyen de comprendre la “dualité” onde-corpuscule de la lumière: une projection dans l'axe du cylindre forme un cercle. Et une projection perpendiculairement à cet axe forme un rectangle. Le cylindre a à la fois les propriétés d’un cercle et d’un rectangle; cela dépend uniquement de la façon dont on l’observe.

De la même manière, la lumière a à la fois des propriétés ondulatoires et de particules.

 
 

De la même manière, nos théories sont des manières de voir les choses, et non les choses en elles-mêmes. Elles sont à l’image de ces projections. Le cylindre n’est qu’une seule et même chose. Et les différentes projections que nous faisons ne dépendent pas du cylindre lui-même, mais de la façon dont on l’observe.

La lumière n’est pas divisée entre ondes ou particules. Ce sont juste deux façons différentes d’observer une seule et même chose

Un autre exemple illustre très bien ce phénomène, et en quoi notre perception est très subjective. Deux points de vue différents, décrivant pourtant une seule et même chose… 

 
 
Deux points de vue différents, décrivant pourtant une seule et même chose…

Deux points de vue différents, décrivant pourtant une seule et même chose…

 
 

Note: Dans les milieux créatifs, la subjectivité est omniprésente. Nous reviendrons très souvent sur des phénomènes similaires. Et cela nous enseigne un point majeur de nos vies: la vérité est très subjective. Le bien, le mal ne sont plus aussi simples à définir. La science aussi trouve ses limites. Des choses vraies un temps se retrouvent bousculées plus tard. Ce que j’en retire personnellement? L’importance de l’humilité, et d’être prêt à remettre en question ses certitudes. 

 

Désormais, vous avez -je l’espère- une vision plus claire de la nature de la lumière. Parfois, nous vous parlerons de photons. Et parfois, nous vous parlerons d’ondes. Et c’est normal. Vous venez de découvrir l’un des aspects fondamentaux de la mécanique quantique : la dualité onde-particule! Et je me réjouis, lors de votre prochain café sur une terrasse, alors qu’un de vos amis vous tiendra un discours tranché et vous dira avec fermeté qu’il a raison, que vous puissiez lever les yeux vers lui, avec un sourire discret, et lui expliquer que tout est relatif (merci Einstein), que la vérité est subjective, et que vous lui donniez un petit exemple de physique quantique!…

To be continued…

 

#003 • Mise à jour: 2019.05.14

astronomes.comfr.wikipedia.org


Swiss photographer living & working in Lausanne.
Looking for beauty, precision & humanity.