la Lumière est ce qui nous permet de comprendre le monde dans lequel nous vivons. Notre langage reflète cela: après avoir tâtonné dans l’obscurité, nous voyons la lumière et la compréhension se lève.
Pourtant, la lumière est une de ces choses que nous n’avons pas tendance à comprendre. Si vous zoomez sur un rayon de lumière, que verriez-vous? Bien sûr, la lumière voyage incroyablement vite, mais qu’est-ce qui fait le voyage? Beaucoup d’entre nous auraient du mal à expliquer.
il ne doit pas être de cette façon., La lumière a certainement intrigué les plus grands esprits pendant des siècles, mais les découvertes marquantes faites au cours des 150 dernières années ont volé la lumière de son mystère. Nous savons plus ou moins ce que c’est.
non seulement les physiciens d’aujourd’hui comprennent la nature de la lumière, mais ils apprennent à la contrôler avec une précision toujours plus grande-ce qui signifie que la lumière pourrait bientôt être mise au travail de manière surprenante. C’est en partie la raison pour laquelle les Nations unies ont désigné 2015 comme Année Internationale de la lumière.
Il y a toutes sortes de façons de décrire la lumière., Mais cela pourrait aider à commencer par ceci: la lumière est une forme de rayonnement.
ce n’est qu’à la fin du XIXe siècle que les scientifiques ont découvert l’identité exacte du rayonnement lumineux
cela a un sens. Nous savons tous que trop de lumière du soleil peut déclencher un cancer de la peau. Nous savons également que l’exposition aux rayonnements peut augmenter le risque de développer certaines formes de cancer, il n’est donc pas difficile de mettre les deux ensemble.
mais toutes les formes de rayonnement ne sont pas les mêmes., Ce n’est qu’à la fin du XIXe siècle que les scientifiques ont découvert l’identité exacte du rayonnement lumineux.
ce qui est étrange, c’est que cette découverte ne vient pas de l’étude de la lumière. Au lieu de cela, il a émergé de décennies de travail dans la nature de l’électricité et du magnétisme.
L’électricité et le magnétisme semblent être des choses très différentes. Mais des scientifiques comme Hans Christian Oersted et Michael Faraday ont établi qu’ils sont profondément liés.
Oersted a constaté qu’un courant électrique traversant un fil dévie l’aiguille d’un compas magnétique., Pendant ce temps, Faraday a découvert que le déplacement d’un aimant près d’un fil peut générer un courant électrique dans le fil.
Maxwell a montré que les champs électriques et magnétiques se déplacent à la manière des ondes
les mathématiciens de l’époque se sont mis à utiliser ces observations pour créer une théorie décrivant ce nouveau phénomène étrange, qu’ils ont appelé « électromagnétisme ». Mais ce n’est que lorsque James Clerk Maxwell a examiné le problème qu’une image complète a émergé.
La contribution de Maxwell à la science est énorme., Albert Einstein, qui a été inspiré par Maxwell, a dit qu’il a changé le monde pour toujours. Entre autres choses, ses calculs ont aidé à expliquer ce qu’est la lumière.
Maxwell a montré que les champs électriques et magnétiques se déplacent à la manière des ondes, et que ces ondes se déplacent essentiellement à la vitesse de la lumière. Cela a permis à Maxwell de prédire que la lumière elle – même était transportée par des ondes électromagnétiques-ce qui signifie que la lumière est une forme de rayonnement électromagnétique.,
à la fin des années 1880, quelques années après la mort de Maxwell, le physicien allemand Heinrich Hertz est le premier à démontrer formellement que le concept théorique de Maxwell de l’onde électromagnétique était correct.
en 1861, il a dévoilé la première photographie couleur durable
« je suis convaincu que si Maxwell et Hertz avaient vécu dans l’ère du prix Nobel, ils en auraient sûrement partagé une », déclare Graham Hall de L’Université D’Aberdeen au Royaume – Uni-où Maxwell a travaillé à la fin des années 1850.,
Maxwell occupe une place dans les annales de la science de la lumière pour une autre raison plus pratique. En 1861, il a dévoilé la première photographie couleur durable, produite à l’aide d’un système de filtre à trois couleurs qui constitue encore la base de nombreuses formes de photographie couleur aujourd’hui.
Encore, l’idée que la lumière est une forme de rayonnement électromagnétique peut pas dire trop. Mais cette idée aide à expliquer quelque chose que nous comprenons tous: la lumière est un spectre de couleurs.
C’est une observation qui remonte aux travaux d’Isaac Newton., Nous voyons ce spectre de couleurs dans toute sa splendeur chaque fois qu’un arc – en-ciel est suspendu dans le ciel-et ces couleurs se rapportent directement au concept D’ondes électromagnétiques de Maxwell.
de nombreux animaux peuvent réellement voir les ultraviolets, tout comme certaines personnes
La lumière rouge le long d’un bord de l’arc-en-ciel est un rayonnement électromagnétique d’une longueur d’onde d’environ 620 à 750 nanomètres; la lumière violette le long
Mais le rayonnement électromagnétique est bien plus important que ces couleurs visibles., La lumière avec des longueurs d’onde légèrement plus longues que la lumière rouge que nous voyons est appelée infrarouge. La lumière avec des longueurs d’onde légèrement plus courtes que le violet est appelée ultraviolet.
de nombreux animaux peuvent réellement voir les ultraviolets, tout comme certaines personnes, explique Eleftherios Goulielmakis de L’Institut Max Planck d’optique quantique de Garching, en Allemagne. Dans certaines circonstances, même l’infrarouge est visible pour les humains. C’est peut-être pourquoi il n’est pas rare de voir à la fois l’ultraviolet et l’infrarouge décrits comme des formes de lumière.,
curieusement, cependant, allez à des longueurs d’onde électromagnétiques encore plus longues – ou plus courtes-et nous cessons d’utiliser le mot « lumière ».
Au-delà de l’ultraviolet, les longueurs d’onde électromagnétiques peuvent être inférieures à 100 nm. C’est le domaine des rayons X et des rayons gamma. Vous n’entendrez pas souvent les rayons X décrits comme une forme de lumière.
Il n’y a pas de réelle différence physique entre les ondes radio et la lumière visible
« Un scientifique ne dirait pas » je fais briller la lumière des rayons X sur la cible ». Ils disaient « j’utilise des rayons X » », explique Goulielmakis.,
pendant ce temps, aller au-delà infrarouge et électromagnétique longueur d’onde s’étend à 1 cm et même jusqu’à des milliers de kilomètres. Ces ondes électromagnétiques reçoivent des noms familiers comme les micro-ondes et les ondes radio. Il peut sembler étrange de penser aux ondes radio utilisées dans la radiodiffusion comme lumière.
« Il n’y a pas de réelle différence physique entre les ondes radio et la lumière visible du point de vue de la physique », explique Goulielmakis. « Vous les décrire avec exactement le même genre d’équations et de mathématiques. »C’est seulement notre langage de tous les jours qui les traite comme différents.,
nous avons Donc une autre définition de la lumière. C’est la gamme très étroite de rayonnement électromagnétique que nos yeux peuvent voir. En d’autres termes, la lumière est une étiquette subjective que nous n’utilisons que parce que nos sens sont limités.
pour plus de preuves de la subjectivité de notre concept de lumière, repensez à l’arc-en-ciel.
la Plupart des gens apprennent que le spectre de la lumière contient sept couleurs principales: rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet. On nous donne même des mnémoniques et des chansons pratiques pour s’en souvenir.,
regardez un arc-en-ciel fort et vous pouvez probablement vous convaincre que les sept couleurs sont exposées. Cependant, Newton lui-même a eu du mal à les voir tous.
en fait, les chercheurs soupçonnent maintenant qu’il a seulement divisé l’arc-en-ciel en sept couleurs parce que le nombre sept était si important dans le monde antique: par exemple, il y a sept notes dans une échelle musicale, et sept jours dans une semaine.
Les travaux de Maxwell sur l’électromagnétisme nous ont permis de dépasser tout cela et ont montré que la lumière visible faisait partie d’un spectre de rayonnement plus large. Il semblait aussi expliquer enfin la nature de la lumière.,
pendant des siècles, les scientifiques ont essayé d’identifier la forme réelle que la lumière prend à une échelle fondamentale lorsqu’elle se déplace d’une source de lumière à nos yeux.
Newton réalisa que les rayons lumineux obéissaient à des règles géométriques très strictes
certains pensaient que la lumière voyageait sous forme d’ondes ou d’ondulations, soit dans l’air, soit dans un « éther »plus nébuleux. D’autres pensaient que ce modèle d’onde était faux et imaginaient la lumière comme un flux de particules minuscules.,
Newton préféra cette seconde option, en particulier après une série d’expériences qu’il réalisa en utilisant la lumière et les miroirs.
Il s’est rendu compte que les rayons de lumière obéissaient à des règles géométriques très strictes. Faites briller un rayon contre un miroir et il rebondit exactement de la même manière qu’une balle le ferait si elle était lancée contre le miroir. Les ondes ne se déplacent pas nécessairement dans des lignes droites aussi prévisibles, a-t-il raisonné, donc la lumière doit être transportée par une forme de particules minuscules et en apesanteur.
le problème est qu’il y avait des preuves tout aussi convaincantes que la lumière est une onde.,
l’une des démonstrations les plus célèbres de ce fut en 1801. « Double slit experiment » de Thomas Young est le genre d’expérience que tout le monde peut reproduire à la maison.
prenez une feuille de carte épaisse et faites soigneusement deux fines fentes verticales à travers elle. Ensuite, obtenez une source de lumière « cohérente », qui ne produit que de la lumière d’une longueur d’onde particulière: un laser fera bien l’affaire. Maintenant briller la lumière à travers les deux fentes sur une autre surface.
sur cette deuxième surface, vous pourriez vous attendre à voir deux lignes verticales lumineuses où une partie de la lumière a traversé les deux fentes., Mais quand Young a effectué l’expérience, il a vu une séquence de lignes claires et sombres Un peu comme un code à barres.
lorsque la lumière traverse les fentes minces, elle se comporte de la même manière que les ondes d’eau lorsqu’elles traversent une ouverture étroite: elles se diffractent et s’étalent sous forme d’ondulations hémisphériques.
lorsque les « ondulations légères » des deux fentes se frappent de manière déphasée, elles s’annulent, formant des barres sombres. Là où les ondulations se frappent en phase, elles s’additionnent pour créer des lignes verticales lumineuses.,
L’expérience de Young était une preuve convaincante du modèle d’onde, et le travail de Maxwell a mis l’idée sur une base mathématique solide. La lumière est une onde.
puis vint la révolution quantique.
dans la seconde moitié du XIXe siècle, les physiciens essayaient de comprendre comment et pourquoi certains matériaux absorbaient et émettaient un rayonnement électromagnétique mieux que d’autres.,
en 1900, Max Planck a résolu le problème
cela peut sembler un peu niche, mais l’industrie de la lumière électrique émergeait à l’époque, donc les matériaux pouvant émettre de la lumière étaient une grande chose.
à la fin du XIXe siècle, les scientifiques avaient découvert que la quantité de rayonnement électromagnétique libérée par un objet changeait en fonction de sa température, et ils avaient mesuré ces changements. Mais on ne savait pas pourquoi c’est arrivé.
en 1900, Max Planck a résolu le problème., Il a découvert que les calculs pouvaient expliquer ces changements, mais seulement s’il supposait que le rayonnement électromagnétique était contenu dans de minuscules paquets discrets. Planck a appelé ces « quanta », le pluriel de « quantique ».
quelques années plus tard, Einstein a utilisé cette idée pour expliquer une autre expérience déroutante.
les physiciens avaient découvert qu’un morceau de métal devient chargé positivement lorsqu’il est baigné dans la lumière visible ou ultraviolette. Ils ont appelé cela « l’effet photoélectrique ».,
cela n’a pas beaucoup de sens si la lumière est simplement une onde
l’explication était que les atomes du métal perdaient des électrons chargés négativement. Apparemment, la lumière a fourni suffisamment d’énergie au métal pour en secouer certains.
Mais le détail de ce que les électrons faisaient était étrange. Ils pourraient être faits pour transporter plus d’énergie simplement en changeant la couleur de la lumière. En particulier, les électrons libérés par un métal baigné de lumière violette transportaient plus d’énergie que les électrons libérés par un métal baigné de lumière rouge.,
cela n’a pas beaucoup de sens si la lumière est simplement une onde.
– Vous de modifier la quantité d’énergie dans une vague en la rendant plus grand – pensez à la puissance destructrice d’un grand tsunami plutôt que d’en faire la vague elle-même plus ou moins.
Chaque quantum packs discret de l’énergie punch
Par extension, la meilleure façon d’augmenter l’énergie que la lumière transferts d’électrons doit être en faisant les ondes de lumière plus haut: c’est la lumière plus brillante., Changer la longueur d’onde, et donc la couleur, ne devrait pas faire autant de différence.
Einstein a réalisé que l’effet photoélectrique était plus facile à comprendre en pensant à la lumière en termes de quanta de Planck.
il a suggéré que la lumière est transportée dans de minuscules paquets quantiques. Chaque quantum contient un poinçon d’énergie discret qui se rapporte à la longueur d’onde: plus la longueur d’onde est courte, plus le poinçon d’énergie est dense. Cela expliquerait pourquoi la lumière violette paquets, avec une relativement courte longueur d’onde, plus d’énergie que la lumière rouge des paquets, avec une relativement longue.,
il a également expliqué pourquoi le simple fait d’augmenter la luminosité de la lumière a eu moins d’impact.
Une source de lumière plus lumineuse fournit plus de paquets de lumière au métal, mais cela ne change pas la quantité d’énergie que chaque paquet de lumière contient. Grossièrement parlant, un seul paquet de lumière violette pourrait transférer plus d’énergie à un seul électron que n’importe quel nombre de paquets de lumière rouge.,
Les scientifiques ont décidé que la lumière se comportait à la fois comme une onde et une particule
Einstein a appelé ces paquets d’énergie photons, et ceux-ci sont maintenant reconnus comme une particule fondamentale. La lumière Visible est portée par les photons, tout comme tous les autres types de rayonnement électromagnétique comme les rayons X, les micro-ondes et les ondes radio. En d’autres termes, la lumière est une particule.
à ce stade, les physiciens ont décidé de mettre fin au débat sur la question de savoir si la lumière se comportait comme une onde ou une particule., Les deux modèles étaient si convaincants qu’aucun ne pouvait être rejeté.
à la confusion de nombreux Non-physiciens, les scientifiques ont décidé que la lumière se comportait à la fois comme une onde et une particule en même temps. En d’autres termes, la lumière est un paradoxe.
les physiciens, cependant, n’ont aucun problème avec l’identité divisée de la lumière. Si quoi que ce soit, cela rend la lumière doublement utile. Aujourd’hui, en s’appuyant sur le travail de sommités – littéralement « donneurs de lumière »-comme Maxwell et Einstein, nous évitons encore plus la lumière.,
Il s’avère que les équations utilisées pour décrire la lumière en tant qu’onde et la lumière en tant que particule fonctionnent également bien, mais dans certaines circonstances, l’une est plus facile à utiliser que l’autre. Les physiciens passent donc de l’un à l’autre, tout comme nous utilisons les mètres pour décrire notre propre hauteur, mais passons aux kilomètres pour décrire une balade à vélo.
Emmêler les particules peuvent être utilisés pour communiquer des informations
Certains physiciens tentent d’utiliser la lumière pour créer chiffré canaux de communication: pour les transferts d’argent, par exemple., Pour eux, il est logique de penser à la lumière comme des particules.
ceci est dû à une autre bizarrerie étrange de la physique quantique. Deux particules fondamentales, comme une paire de photons, peut être « attachées ». Cela signifie qu’ils partagent des propriétés peu importe à quelle distance ils sont les uns des autres, de sorte qu’ils peuvent être utilisés pour communiquer des informations entre deux points sur Terre.
Une autre caractéristique de cet enchevêtrement est que l’état quantique des photons change lorsqu’ils sont lus., Cela signifie que si quelqu’un essayait d’écouter un canal crypté en utilisant les propriétés quantiques de la lumière, il trahirait, en théorie, immédiatement sa présence.
D’autres, comme Goulielmakis, utilisent la lumière dans l’électronique. Pour eux, il est beaucoup plus utile de penser à la lumière comme une série d’ondes qui peuvent être apprivoisées et contrôlées.
les appareils modernes appelés « synthétiseurs de champ lumineux » peuvent corriger les ondes lumineuses en parfaite synchronisation les unes avec les autres. En conséquence, ils créent des impulsions lumineuses beaucoup plus intenses, de courte durée et dirigées que la lumière d’une ampoule ordinaire.,
ils ont littéralement pris des photos d’ondes lumineuses en mouvement
Au cours des 15 dernières années, ces appareils ont été utilisés pour apprivoiser la lumière à un degré extraordinaire.
en 2004, Goulielmakis et ses collègues ont réussi à produire des impulsions incroyablement courtes de rayonnement X. Chaque impulsion ne durait que 250 attosecondes, soit 250 quintillionths de seconde.
en utilisant ces minuscules impulsions comme un flash d’appareil photo, ils ont réussi à capturer des images d’ondes individuelles de lumière visible, qui oscillent plutôt plus lentement. Ils ont littéralement pris des photos d’ondes lumineuses en mouvement.,
« nous savons depuis Maxwell que la lumière est un champ électromagnétique oscillant, mais personne ne rêvait que nous serions capables de capturer la lumière pendant qu’elle oscille », explique Goulielmakis.
Voir ces ondes lumineuses individuelles est un premier pas vers le contrôle et la sculpture, dit-il, tout comme nous sculptons déjà des ondes électromagnétiques beaucoup plus longues, comme les ondes radio qui transportent les signaux de radio et de télévision.
il y a Un siècle, l’effet photoélectrique a montré que la lumière visible affecte les électrons dans un métal., Goulielmakis dit qu’il devrait être possible de manipuler précisément ces électrons, en utilisant des ondes lumineuses visibles qui ont été façonnées pour interagir avec les métaux d’une manière soigneusement définie. « Nous pouvons contrôler la lumière, et à travers elle, nous pouvons contrôler la matière », dit-il.
Les yeux humains sont des détecteurs de photons qui utilisent la lumière visible pour découvrir le monde qui nous entoure
qui pourraient révolutionner l’électronique, conduisant à de nouvelles générations d’ordinateurs optiques plus petits et plus rapides que ceux que nous avons aujourd’hui., « Il s’agit de mettre les électrons en mouvement comme nous le souhaitons, en créant des courants électriques à l’intérieur des solides en utilisant la lumière, au lieu de l’électronique conventionnelle. »
Il y a donc une autre façon de décrire la lumière: la lumière est un outil.
Ce n’est rien de nouveau. La vie exploite la lumière depuis que les premiers organismes primitifs ont développé des tissus sensibles à la lumière. Les yeux humains sont des détecteurs de photons qui utilisent la lumière visible pour en apprendre davantage sur le monde qui nous entoure.
la technologie moderne pousse simplement cette idée encore plus loin., En 2014, le prix Nobel de chimie a été décerné à des chercheurs qui ont construit un microscope optique si puissant qu’il était considéré comme physiquement impossible. Il s’est avéré que, avec un peu de persuasion, la lumière nous montrerait des choses que nous pensions ne jamais voir.