Si le caractère de la lumière était déjà beaucoup étudié à l’Antiquité, c’est à la fin du XVIIème siècle qu’il a commencé à faire débat dans les milieux universitaires. Christiaan Huygens, l'astronome et physicien néerlandais, a exprimé l'opinion que la lumière était une onde. Il a basé cela sur la propagation d'une onde dans l'eau et a pu résoudre des questions optiques essentielles de manière analogique, construisant ainsi de meilleurs télescopes, par exemple. Son principal adversaire était Isaac Newton, le scientifique naturel britannique, philosophe et le plus important défenseur de la théorie corpusculaire de la lumière. Cette théorie décrit la lumière comme un flux de particules dont la masse différente résulte de leurs couleurs. À cette époque, aucun expérience n'était connue qui aurait pu résoudre ce différend, c'est pourquoi le scientifique le plus en vue a triomphé : Isaac Newton a influencé la croyance populaire au XVIIIe siècle avec sa théorie corpusculaire.
Nature de la lumière
Ondes lumineuses
Au début du 19ème siècle, le médecin et physicien britannique Thomas Young a réalisé des expériences qui ont montré que des phénomènes tels que les anneaux de Newton, qui défiaient la théorie corpusculaire (!), pouvaient être expliqués par le biais de la théorie des ondes. Les anneaux de Newton apparaissent dans une flaque d'huile sur une rue mouillée, par exemple, la faisant fluorescer dans toutes sortes de couleurs (figure 1). Ceci peut être expliqué par le biais de l'interférence, le fait que les ondes peuvent s'amplifier ou s'éteindre mutuellement. Sur la base de cela et du travail d'autres scientifiques, la théorie des ondes est devenue plus populaire.
Figure 1 : Flaque d'huile (©iStockphoto.com/nickpo)
Particules de lumière
En l'année 1900, Max Planck a publié sa théorie sur le rayonnement du corps noir. On peut penser à cela comme à la radiation émanant d'une petite ouverture d'un four bien isolé brillant à l'intérieur. La radiation visible change de couleur, passant des tons rouges à un blanc éclatant lorsque la température du four est augmentée de plusieurs 100 °C à plus de 3000 °C. Cette radiation contient non seulement de la lumière visible mais s'étend également à la lumière infrarouge et ultraviolette. Pour décrire cela correctement, Planck a dû supposer que l'énergie de radiation dans la chambre intérieure du four était quantifiée. Cela signifie que l'énergie de radiation ne peut pas aller à n'importe quel niveau possible, mais seulement à des multiples d'un quantum, la plus petite portion d'énergie possible. Il devait également supposer que l'énergie du quantum dépendait de la couleur ou de la longueur d'onde de la lumière. Planck a douté de sa propre théorie pendant de nombreuses années ; cependant, il a reçu le prix Nobel de physique pour cela en 1918 et est aujourd'hui célébré comme le fondateur de la théorie quantique. La seule personne qui a immédiatement adhéré à la théorie de Planck était Albert Einstein. Il a publié un article basé sur cela en 1905, dans lequel il décrit l'effet photoélectrique. Les électrons sont expulsés d'une surface métallique par la lumière et peuvent ensuite être détectés comme un courant électrique. La couleur de la lumière peut maintenant déterminer si un courant passe. Il y a le cas, par exemple, qu'il n'y a pas de courant sous la lumière rouge, peu importe sa force, tandis que le courant circule sous la lumière jaune, verte et bleue (figure 2). Einstein a vu la cause de cet effet dans le fait que la lumière elle-même était quantifiée, ce qui signifie qu'elle se composait de portions d'énergie minimales. Ils montrent des caractéristiques de particules et tirent des électrons du métal s'ils ont suffisamment d'énergie pour le faire. Cependant, leur énergie dépend uniquement de la couleur, donc de la longueur d'onde de la lumière. Ces portions discrètes de lumière ont été appelées plus tard photons. En 1909, lors d'un discours à un congrès de scientifiques et de médecins naturels allemands, Einstein a déjà souligné que certains effets ne pouvaient être expliqués que par la combinaison des deux modèles de la lumière – le modèle ondulatoire ainsi que le modèle particulaire.
Figure 2 : Effet photoélectrique
Dualité onde-particule de la lumière
Dans le cadre de la physique quantique, un domaine développé au 20ème siècle, nous faisons maintenant référence à la dualité onde-particule de la lumière. Ce concept stipule que la lumière ne peut être considérée ni comme une simple onde ni comme une simple particule, et que l'application détermine quelle caractéristique domine sur l'autre. Lorsqu'on lui a demandé ce qu'était réellement un photon, Einstein aurait donné cette réponse caustique à la fin de sa vie : "Aujourd'hui, chaque Tom, Dick et Harry pense savoir ce qu'est un photon – mais ils ne le savent pas." C'est pourquoi des expériences sont encore menées pour mieux comprendre la lumière. Particulièrement au cours des dernières décennies, des technologies ont été développées qui permettent des expériences avec des photons uniques et mènent à de nouvelles applications spectaculaires. La lumière joue un rôle intégral avec de nombreux produits Anton Paar : Dans SAXSpace, par exemple, les structures des échantillons sont mesurées dans la plage des nanomètres en leur tirant des photons X, qui ont une énergie beaucoup plus élevée que la lumière visible. Une partie de ces photons est dispersée par les électrons de l'échantillon et crée un motif de diffusion sur un détecteur, fournissant des informations sur la structure interne de l'échantillon. Les polarimètres MCP mesurent de quel angle le plan d'oscillation de la lumière laser polarisée est tourné par un échantillon. Cela aide à différencier les variantes de médicaments qui montrent le même comportement chimique mais affectent les patients différemment. L Alcolyzer en revanche utilise la lumière infrarouge pour déterminer la concentration d'alcool dans les boissons. Une certaine partie de la lumière infrarouge qui traverse l'échantillon est transformée en oscillation mécanique de la molécule d'alcool et manque donc à la lumière derrière l'échantillon. Cette partie manquante est une mesure directe de la concentration en alcool de l'échantillon. Découvrez l'expérience des fentes doubles qui illustre à la fois les propriétés ondulatoires et particulaires de la lumière.
