Les
ondes lumineuses
Avec la mécanique céleste, l’astronomie connut une
série de succès éclatants. Cependant, son domaine d’application restait très
limité, elle ne décrivait que la position et le mouvement des corps célestes,
sans pouvoir analyser leur nature.
Ce n’est qu’au
XIXe siècle qu’apparut une nouvelle méthode d’investigation, l’analyse
spectrale, qui allait permettre l’étude de la nature physique des astres et
donner naissance à l’astrophysique.
Mais avant
d’étudier les applications de cette nouvelle méthode, commençons par nous
familiariser un peu avec le phénomène sur lequel elle repose : la lumière.
Les couleurs de
l’arc-en-ciel
L’origine des
différentes couleurs est un problème qui a toujours intéressé les physiciens.
Isaac Newton fut le premier à donner une interprétation correcte. Il montra que
la lumière visible était en fait constituée d’une superposition de toutes les
couleurs de l’arc-en-ciel.
Pour faire
apparaître ces diverses couleurs, il suffit de faire passer la lumière dans un
prisme. Chaque couleur est alors déviée un peu différemment et apparaît de
façon distincte des autres. La lumière blanche peut donc être décomposée en ses
diverses composantes et donner lieu à une succession de couleurs appelée un
spectre.
L’onde
électromagnétique
La réponse à la
question plus fondamentale de la nature de la lumière fut plus lente à venir.
Dans la deuxième partie du XIXe siècle, le physicien écossais James Clerk
Maxwell établit l’une des pièces maîtresses de la physique classique : la
théorie unifiée des phénomènes électriques et magnétiques. L’un des résultats
les plus importants de cette théorie était la mise en évidence du lien intime
entre champs électrique et magnétique.
James Clerk Maxwell
: Edinburgh, 1831 – Cambridge, 1879
Les physiciens
savaient déjà qu’un champ magnétique variable pouvait engendrer un champ
électrique, comme dans une dynamo de bicyclette par exemple. Mais Maxwell
montra que, réciproquement, un champ électrique variable pouvait donner
naissance à un champ magnétique.
Ce résultat avait
une implication très importante. Imaginez qu’un champ électrique oscille en un
point. D’après Maxwell, l’oscillation va donner lieu à un champ magnétique
autour de ce point. Le champ magnétique ainsi créé est variable et va à son
tour donner naissance à un champ électrique. Celui-ci va créer un nouveau champ
magnétique et ainsi de suite.
Les deux champs
peuvent ainsi s’entretenir mutuellement. L’oscillation initiale va rapidement
se propager dans toutes les directions, un peu comme une vague se propage à la
surface de l’eau, et l’on appelle donc le phénomène une onde électromagnétique.
Maxwell calcula
dans les années 1860 qu’une onde électromagnétique devait se propager à une
vitesse d’environ 300.000 kilomètres par seconde. Or, Hippolyte Fizeau et Jean
Foucault avaient mesuré quelques années auparavant la vitesse de la lumière et
obtenait une valeur assez proche de celle-ci.
Maxwell tira la
conclusion qui s’imposait et avança que la lumière s’expliquait comme une onde
électromagnétique, une oscillation simultanée des champs électrique et
magnétique qui se propageait à la vitesse fantastique de 299.792 kilomètres par
seconde.
La longueur
d’onde
Pour décrire une
onde, le paramètre le plus important est ce que l’on appelle la longueur
d’onde. Dans le cas d’ondes qui se propagent à la surface de l’eau, la longueur
d’onde est la distance qui sépare deux vagues successives. Dans le cas des
ondes lumineuses, la longueur d’onde est la distance qui sépare deux points où
les champs atteignent une intensité maximale.
Pour la lumière
visible, cette longueur d’onde est très petite. Elle s’exprime en micromètres,
c’est-à-dire en millionièmes de mètre, et varie entre 0,38 à 0,75 micromètre.
La couleur que
nous observons en regardant un objet dépend de la longueur d’onde de sa
lumière. Ainsi, un faisceau lumineux de longueur d’onde proche de 0,7
micromètre nous apparaît rouge. Si la longueur d’onde est proche de 0,5 la
couleur est jaune, et près de 0,4 micromètre elle est violette.
La lumière
blanche, celle du Soleil par exemple, est composée d’une multitude de longueurs
d’onde différentes, donc de couleurs différentes.
Au-delà du
domaine visible
Le spectre des
ondes électromagnétiques ne se limite pas à la lumière que nous pouvons voir.
Les physiciens ont depuis le XIXe siècle découvert toute une gamme de
rayonnements invisibles à l’oeil.
Ainsi, au début
du siècle dernier, William Herschel étudiait le spectre de la lumière solaire à
l’aide d’un prisme et d’un thermomètre. Ce dernier indiquait une hausse de
température lorsqu’il se trouvait dans le spectre visible, ce qui ne
constituait pas une surprise, mais également lorsqu’il était placé au-delà de
la partie rouge du spectre visible. Herschel venait de découvrir une forme de lumière
invisible et pourtant réelle.
Ce rayonnement,
l’infrarouge, est bien connu de nos jours. Il est par exemple utilisé dans les
télécommandes ou dans les systèmes de détection de chaleur. Il couvre un
domaine de longueurs d’onde supérieures à celles de la lumière visible, entre
0,8 micromètre et 1 millimètre.
Pour des
longueurs d’onde encore plus grandes, on entre dans le domaine des ondes radio,
mis en évidence par Heinrich Hertz en 1888. Ces ondes sont bien connues
puisqu’elles permettent la diffusion des programmes de radio et de télévision,
les communications avec les satellites et aussi les fours à micro-ondes.
D’autres types de
rayonnement existent à des longueurs d’onde inférieures à celles de la lumière
visible. Pour une longueur d’onde comprise entre 0,01 et 0,4 micromètre, c’est
le rayonnement ultraviolet, connu pour provoquer des cancers de la peau.
Au-delà, ce sont les rayons X, utilisés pour observer l’intérieur du corps
humain, puis les rayons gamma, très dangereux et produits par exemple lors des
réactions nucléaires.
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