Lumière

La physique caractérise les ondes électromagnétiques par leur longueur d'onde ou leur fréquence. La fréquence d'un rayonnement ne change pas, mais sa longueur d'onde est proportionnelle à la vitesse de la lumière dans le milieu où il se propage. Quand on parle de longueur d'onde pour la lumière sans autre précision, c'est dans le vide. Cette longueur d'onde est peu différente de celle dans l'air.

Les limites du spectre visible sont imprécises, car la sensibilité visuelle diminue progressivement en s'éloignant d'un maximum autour de 550 nm dans le domaine de vision diurne, 510 nm quand la lumière est faible. Cette sensibilité varie selon les espèces, dont les relations avec leur environnement déterminent l'importance pour la survie de telle ou telle région du spectre[1], tout en correspondant toujours approximativement à celle où l'énergie du rayonnement solaire est la plus forte à la surface de la Terre[2]. Elle décroît progressivement autour du maximum ; les limites qu'on lui donne dépendent donc du seuil qu'on lui fixe[3].

La lumière visible se situe à une fréquence de 540 ± 200 THz (longueur d'onde dans le vide 550 ± 120 nm). Il est parfois intéressant de considérer l'énergie photonique, vers 2,2 ± 0,7 électron-volts.

La physique étudie l'environnement en essayant de s'affranchir des incertitudes de la perception humaine, mais son développement historique en a dépendu étroitement. Avant que les physiciens considèrent la lumière comme une partie du rayonnement électromagnétique, l'optique a établi des méthodes à partir de la lumière visible. La photographie a montré que les lois de l'optique s'appliquaient à des rayons invisibles. Si l'on définit la lumière par « rayonnement qui s'étudie par des systèmes optiques », on peut étendre énormément son champ. Un radiotélescope les applique dans ses antennes. Ce sont les points communs de ces rayonnements qui les font assimiler à la lumière :

• les ondes sont incohérentes, c'est-à-dire qu'on ne peut prévoir la phase — ni même en général, la fréquence — en un point et à un instant donné, mais seulement mesurer une énergie moyenne ;
• les rayonnements sont peu pénétrants, ce qui permet d'appliquer les lois de la réflexion.

Du point de vue physique, il est tout à fait indifférent qu'un rayonnement soit visible ou non. L'évaluation de l'effet d'un rayonnement électromagnétique sur l'éclairement est l'objet de la photométrie. Ces études, entreprises depuis le XVII^e siècle, ont abouti à l'établissement de courbes ou de tables d'efficacité lumineuse spectrale. On peut ainsi, connaissant la puissance d'un rayonnement pour chaque longueur d'onde, calculer son effet lumineux. Plus pratiquement, avec un capteur muni d'un filtre (optique) approprié, on peut mesurer un flux lumineux ou un éclairement lumineux[4].

Lorsque le niveau lumineux est suffisant (vision photopique), l'être humain distingue des couleurs, correspondant à la répartition spectrale des lumières qui lui parviennent. La vision est une perception complexe, une activité cognitive dans laquelle plusieurs aires cérébrales collaborent, comparant les sensations à celles enregistrées dans la mémoire, avec plusieurs effets en retour. En particulier, la vision des couleurs s'adapte à l'éclairage ambiant, de façon à attribuer aux objets une couleur, même si, du fait d'une variation de la lumière, la rétine reçoit des rayonnements différents[5].

L'être humain est trichromate, son œil comporte trois types de récepteurs, dont la sensibilité spectrale est différente ; les différences entre leurs réponses est à la base de la perception des couleurs. Par conséquent, deux lumières de composition spectrale très différente peuvent être perçues comme étant de la même couleur, si leur influence sur les trois types de récepteurs est égale. On dit alors que les lumières sont métamères. C'est cette particularité que l'on exploite dans la photographie et l'impression en couleurs, ainsi que dans les écrans de télévision et d'ordinateur. Avec trois couleurs bien choisies, dites couleurs primaires, on peut créer, soit par synthèse additive, soit par synthèse soustractive, la perception de très nombreuses couleurs. L'étude de la perception des couleurs, selon les caractéristiques physiques du rayonnement lumineux, est l'objet de la colorimétrie[6].

Divers phénomènes physiques mettent en évidence parfois l'aspect corpusculaire, parfois l'aspect ondulatoire de la lumière. Selon les cas, la lumière présente des propriétés soit propres à une onde, sans localisation — diffraction, polarisation, etc., soit propres à un objet localisé, un corpuscule — effet photoélectrique, spectre d'émission des matériaux, chimie des colorants, etc..

L'approche corpusculaire est inévitable lorsque les énergies en jeu sont si faibles qu'on ne peut rien en prélever pour la mesure sans perturber le système. L'approche ondulatoire sert en optique et dans les cas qui concernent des puissances incomparablement plus grandes que celle des photons. Ses modèles supposent que les phénomènes sont mesurables sur une échelle continue.

La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (comme célérité), est une constante de la physique. Cette propriété a été induite de l'expérience d'interférométrie de Michelson et Morley et a été clairement énoncée par Albert Einstein en 1905.

La vitesse de la lumière dans le vide est la vitesse maximale possible pour tout déplacement d'énergie.

La loi d'addition des vitesses v' = V+v est à peu près vraie pour des vitesses faibles par rapport à la vitesse de la lumière. Du point de vue de la physique classique, un voyageur marchant dans un train a, par rapport au sol, une vitesse égale à celle du train plus (vectoriellement) sa propre vitesse de marche dans le train. Et l'on écrit d = (V+v) t = Vt+vt, soit la distance parcourue par le train plus la distance parcourue dans le train est la distance parcourue par le voyageur par rapport au sol dans le temps t qui est classiquement le même dans le train et au sol, ce qui implique la loi classique d'addition des vitesses. Cette approximation devient de moins en moins précise à mesure que la vitesse v considérée augmente.

Un photon va à la même vitesse c que ce soit par rapport au sol ou par rapport au train. La loi d'addition des vitesses n'est qu'une approximation de la loi dite de transformation sur les vitesses de Lorentz (appelée parfois d'addition des vitesses, ou plus correctement loi de composition des vitesses). Ce résultat est l'une des caractéristiques de la relativité restreinte ; la loi de composition des vitesses issue des transformations mathématiques de Lorentz donne à la limite des faibles vitesses (par rapport à la vitesse c) les mêmes résultats que les transformations de Galilée.

En résumé la composition des vitesses est

• en vitesse classique, la transformée de Galilée :

${\displaystyle u=u'+v}$

• en vitesse relativiste, la transformée de Lorentz :

${\displaystyle u={\frac {u'+v}{1+{\frac {u'v}{c^{2}}}}}}$

La vitesse de la lumière n'est pas toujours la même dans tous les milieux et dans toutes les conditions. Les écarts de vitesse observés entre deux milieux sont liés à l'indice de réfraction, qui caractérise les réponses des milieux à la traversée d'une onde électromagnétique.

L'écart entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans l'air est très faible (moins de 1 %), ce qui a permis de parler en général de vitesse de la lumière au lieu de vitesse de la lumière dans le vide. Cependant, dans la matière condensée, une onde lumineuse peut être considérablement ralentie (par exemple, de 25 % dans l'eau[alpha 1]. Les physiciens sont même parvenus à ralentir la propagation lumineuse par transparence induite électromagnétiquement jusqu'à une vitesse de quelques mètres par seconde dans des cas extrêmes[7].

Actuellement, la plupart des unités du Système international sont définies à partir de la célérité de la lumière. Une vitesse étant le quotient d'une longueur par une durée, on peut définir une distance comme étant le produit d'une durée par une vitesse (en l'occurrence c), ou une durée comme la division d'une distance par c.

La seconde est définie dans le Système International par un phénomène lumineux : c'est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyper-fins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.

Le mètre, unité du Système International de longueur. De nos jours, il est défini comme la distance parcourue par la lumière, dans le vide, en ¹⁄_{299 792 458} seconde. Il s'agit là d'une définition conventionnelle, car toute évolution dans la définition de la seconde aurait une incidence directe sur la longueur du mètre. Avec la définition actuelle de la seconde, le mètre est donc égal à :

${\displaystyle {\frac {9\;192\;631\;770}{299\;792\;458}}}$ fois la longueur d'onde de la radiation choisie.

On peut également dire que la vitesse de la lumière dans le vide est précisément 299 792 458 m/s : il n'y a pas d'incertitude sur cette valeur[8].

En astronomie, on emploie, surtout en vulgarisation, une unité qui donne une idée de l'énormité des distances qui séparent les astres. Une année-lumière est la distance que parcourt la lumière en un an. Elle vaut un peu moins de 9,5 pétamètres — 9,5 millions de millions de kilomètres. L'étoile la plus proche du système solaire s'en trouve à 4,22 années-lumière. Les communications scientifiques préfèrent souvent le parsec ou l'unité astronomique. La mesure des distances en astronomie limite l'usage de chaque unité à une plage de distances appropriée.

Même si certaines formes de vies au fond des océans peuvent s'en passer, la lumière du Soleil est la première source d'énergie des écosystèmes terrestres, par la photosynthèse. Elle contrôle les cycles écogéobiologiques et le stockage du carbone tels qu'ils existent depuis 3,7 milliards d'années. Elle joue aussi un rôle important en entretenant la couche d'ozone et en limitant la pullulation des microbes sensibles aux ultraviolets et/ou à l'infrarouge. Cette sensibilité est utilisée par certaines techniques de stérilisation[alpha 2].

Inversement, elle contribue à certaines formes de pollution dites « photochimiques » (ozone troposphérique, oxydes d'azote) et inversement à dégrader (photodégradation) certains polluants de l'air, du sol superficiel ou de l'eau (certains pesticides présents dans l'air) par exemple. La lumière corrige les horloges biologiques animales, par la production de mélatonine qui est une hormone uniquement produite la nuit, chez la plupart des animaux et chez d'autres espèces. Chez la plupart des espèces la lumière naturelle est vitale au bon accomplissement des cycles biologiques. Chez l'humain, l'exposition aux ultraviolets de la lumière solaire sont nécessaires à la synthèse de la vitamine D.

Les plantes possèdent des protéines sensibles à la lumière sous différentes longueurs d'onde.

Les phytochromes peuvent passer de la forme inactive, Pr, à la conformation active, Pfr, sous la lumière rouge. Le processus est thermodynamiquement réversible sous l'effet des infrarouges proches (710 à 850 nm). Les phytochromes actifs peuvent induire la germination des graines ou inhiber la croissance de la tige ; ils contrecarrent ainsi les protéines PIFs impliquées dans l'expression des gènes en empêchant leur action. Les phytochromes jouent aussi un rôle dans l'évitement de l'ombre et la rectification de l'horloge circadienne en cas de changement de la durée du jour.

Les cryptochromes peuvent agir de concert avec les phytochromes, mais sont sensibles à la lumière bleue. Ils sont capables d'inhiber la croissance de la tige, de réguler l'horloge circadienne et d'induire la floraison et la croissance des cotylédons. Chez les animaux elles jouent un rôle dans le cycle circadien.

Les ultraviolets B activent les protéines UVR8 (en) qui provoquent la production de flavonoïdes qui filtrent les rayonnements. Associé à la réparation d'ADN, l'UVR8 peut induire une acclimatation ainsi qu'une élongation de la tige. Une exposition trop intense aux UV-B peut conduire à la mort de la plante.

La durée du jour est essentielle pour contrôler l'apparition des bourgeons, feuilles, fleurs, ou l'ouverture et la fermeture de fleurs. La présence de lumière artificielle dans l'environnement nocturne peut altérer le comportement ou les fonctions de certaines espèces ou des écosystèmes ; ce phénomène est généralement décrit sous le nom de « pollution lumineuse ».

De nombreuses espèces animales possèdent un sens visuel, permettant de réagir à des objets distants. Un bon nombre de ces espèces réagissent différemment aux objets selon le spectre de la lumière qu'ils émettent ou réfléchissent, exhibant ainsi les caractères d'une forme de vision des couleurs. Les organismes sont généralement sensibles aux parties du spectre électromagnétique issu du rayonnement solaire sont les plus puissantes dans leur environnement. La vision humaine définit celle qu'on appelle spectre visible, dont les fréquences supérieures produisent une perception de couleur violette et les fréquences inférieures correspondent au rouge. La limite du spectre visible est arbitraire ; la sensibilité de l'œil diminue progressivement, et la limite en fréquence dépend du niveau que l'on considère comme négligeable (1 %, 0,1 % de la meilleure sensibilité, par exemple)[14]. On donne en général les valeurs de longueur d'onde de 400 à 700 nanomètres (nm), des valeurs simples à retenir, allant jusqu'à une sensibilité de moins de 1 % du maximum. Les tables photométriques vont de 360 à 830 nm ; les longueurs d'onde inférieures à 450 nm se perçoivent comme des couleurs bleu-violet profond très peu différentes de teinte, mais de plus en plus sombres, tandis que toutes les longueurs d'onde supérieures à 630 nm donnent, de même, la même impression visuelle rouge, si on en augmente suffisamment l'intensité. La largeur de bande de la lumière visible par les animaux peut varier quelque peu par rapport aux capacités visuelles des êtres humains.

Dans la vision photopique, diurne, la transformation de la lumière en influx nerveux par les cônes permet la perception colorée. L'adaptation visuelle change les caractères de la perception pour la faire correspondre à l'éclairement de la scène vue, et aux rapports perçus entre les surfaces du champ visuel. La correspondance entre lumière définie physiquement et la perception est assez lâche en général. On attribue aux objets une couleur constante même si le rayonnement qui en parvient à l'œil varie. Les êtres vivants, en dehors d'un contexte technologique, n'ont aucun avantage à mesurer la lumière. La vision leur sert à identifier les objets à distance. Les animaux porteurs des caractères les plus à même de favoriser cette fonction ont gagné un avantage dans la sélection naturelle et les ont propagés[15].

La lumière naturelle est pulsée par le rythme circadien, qui influe sur l'ensemble des fonctions vitales. Chez l'humain on peut produire ou soigner une dépression par l'absence ou la présence de lumière. Une étude sur des pensionnaires de maison de retraite été démontré en 2008 que la prise de mélatonine et l'exposition à la lumière naturelle améliorent les symptômes de troubles des cycles du sommeil ; la prise de mélatonine facilite l'endormissement (huit minutes plus tôt en moyenne) et allonge le sommeil de vingt-sept minutes en moyenne[16]. L'exposition à la lumière naturelle diminuerait aussi chez ces personnes âgées les symptômes de dépression (-19 %), les limitations fonctionnelles au quotidien (- 53 %) et la détérioration cognitive (- 5 %). L'association lumière + mélatonine a aussi diminué les comportements agressifs (- 9 %), les phases d'agitation et de réveils nocturnes.

Le D^r Albert Lachman (spécialiste des troubles du sommeil) estime qu'en améliorant le sommeil du malade, ses fonctions cognitives et l'humeur sont améliorées. Il conseille « de bien éclairer les pièces en journée, de laisser les rideaux ouverts et, à l'inverse, de diminuer les sources de lumière en soirée pour que l'organisme reçoive le signal que la nuit est là […] Malheureusement, dans certaines maisons de repos, pour des questions d'organisation, on fait plutôt l'inverse » ajoute-t-il[17].

Il est apparu que des récepteurs situés dans les cellules ganglionnaires de la rétine, surtout sensibles à la lumière bleue présente dans la lumière du jour, participent à la régulation de mélatonine et du rythme circadien. Une précaution d'hygiène lumineuse doit faire éviter de perturber ce cycle par un éclairage artificiel « lumière du jour » la nuit[18].

En matière de mesure de la lumière, il importe de bien définir de quoi on parle :

• l'unité de flux lumineux, ou puissance lumineuse est le lumen = candela.stéradian. Une ampoule électrique courante (15 watts basse consommation ou 75 watts à incandescence classique) produit environ 1500 lumens ;
• l'unité internationale d'intensité lumineuse est la candela.

faisceaux de lumière cohérente issus de lasers.

La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques, caractérisées par la longueur d'onde dans le vide, correspondant à un niveau d'énergie, et l'intensité. La répartition des longueurs d'onde régit la perception de couleur de la lumière. Une onde électromagnétique constituée d'ondes de la même longueur d'onde — pour autant qu'on puisse le vérifier, est dite monochromatique. Si en plus toutes les ondes ont la même polarisation, alors la lumière est cohérente : c'est ce qui se passe dans un laser.

La mesure de la lumière est compliquée par le fait qu'on s'intéresse, en pratique, à la lumière visible, alors que la sensibilité humaine dépend de la longueur d'onde. Le rapport entre ces deux grandeurs, déterminé empiriquement, se trouve dans le tableau des valeurs d'efficacité lumineuse spectrale.

Le Soleil est le principal luminaire naturel. Les étoiles plus lointaines rayonnent suffisamment pour être visibles, mais pas assez pour éclairer. La lumière solaire est suffisamment puissante pour que la petite partie de son rayonnement diffusée par l'atmosphère terrestre et réfléchie par les objets de la surface suffise pour voir les parties qu'elle n'atteint pas directement.

La Lune réfléchit suffisamment de lumière solaire pour permettre la vision scotopique (nocturne), sans perception des couleurs, des objets que son rayonnement frappe directement.

Les autres petits corps célestes, planètes et leurs satellites, astéroïdes, comètes, etc.), produisent de même moins de rayonnement qu'ils n'en reçoivent, et leur rayonnement, comme celui des étoiles, est insuffisant pour éclairer à la surface de la Terre. Certaines planètes géantes (comme Jupiter ou Saturne) produisent un peu plus de rayonnement qu'elles n'en reçoivent, mais pas suffisamment pour être facilement visibles à l'œil nu depuis la Terre. Les étoiles filantes, quant à elles, sont échauffées par la friction avec l'air et finissent par y brûler. Ce phénomène est source d'une lumière également insuffisante pour éclairer.

Les objets chauds émettent un rayonnement électromagnétique dont l'énergie dépend de leur température ; un corps noir produirait une lumière de spectre lumineux à peu près semblable à celui du Soleil à une température d'environ 5 500 kelvins. Les combustions en milieu ouvert échauffent suffisamment de poussières pour que celles-ci produisent de la lumière.

Certains organismes vivants : poissons, mollusques, lucioles et vers luisants, produisent de la lumière par bioluminescence.

Réverbère à Londres.

Les humains se sont d'abord éclairés par la lumière du feu. Le bitume et la poix renforcent l'éclat des torches. Les archéologues ont découvert des lampes à huile rudimentaires parmi des objets remontant au Néolithique. Les chandelles et bougies, de principe identique, présentent l'avantage pratique d'un combustible solide, qui ne se liquéfie que par la chaleur de la combustion.

Pour éclairer il faut des matières dont la combustion imparfaite produit des poussières, chauffées par la réaction de parties plus volatiles avec l'oxygène de l'air. La combustion du pétrole ou du gaz, bien réglée, est trop parfaite pour éclairer. On disposait les luminaires à pétrole ou à gaz de sorte qu'un excès de combustible produise les poussières nécessaires, jusqu'à ce que l'invention du manchon à incandescence à la fin du XIX^e siècle permette l'amélioration du rendement des lampes.

La lampe à incandescence électrique inventée à la fin du XIX^e siècle a révolutionné l'éclairage. Les lumières électriques sont depuis lors les sources les plus courantes de lumière artificielle.

Des systèmes basés sur la luminescence ont ensuite rivalisé et souvent remplacé la lampe à incandescence : le tube fluorescent, la lampe électroluminescente. Les plus récents sont de plus en plus économes en énergie.

• Richard Langton Gregory, L'œil et le cerveau : la psychologie de la vision [« Eye and Brain: The Psychology of Seeing »], De Boeck Université, 2000 (1^re éd. 1966)
• (en) Miles V. Klein et Thomas E. Furtac, Optics, New-York, John Wiley & Sons, coll. « Wiley Serie in Pure and Applied Optics », 1986, 660 p. (ISBN 0-471-87297-0), « The Nature of Light », p. 1-50
• Bernard Valeur, Lumière et luminescence : Ces phénomènes lumineux qui nous entourent, Belin, coll. « Pour la science », 2005, 207 p. (ISBN 978-2-7011-3603-5)
• Libero Zuppiroli, Marie-Noëlle Bussac et Christiane Grimm (photographies), Traité de la lumière, Lausanne, Presses polytechniques et universitaires romandes, 2009

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• «Lumière, ondule ton corpuscule» La Méthode scientifique, France Culture, 24 octobre 2019
• Phénomènes lumineux, sur le site colorimetrie.be
• Un dossier complet sur la vitesse de la lumière sur le site Culturesciences-Physique de l'ENS Lyon (un historique, les indices optiques, la relativité, l'effet Cherenkov...)
• Dossier sur la lumière et projet d'éclairage, sur le site ergonomie.chups.jussieu.fr [PDF]
• « Lumière ! », une exposition en ligne sur l'histoire de la lumière, sur la bibliothèque numérique en histoire des sciences IRIS - Université Lille-I