La lumière, onde et particule?

La lumière est un phénomène physique étudié depuis belle lurette, et sa nature a été l'objet de controverses depuis tout aussi longtemps. Deux écoles de pensée principales se sont confrontées au fil du temps. L'une affirmant que la lumière était une onde, l'autre croyant qu'elle était formée de particules. La position actuelle des physiciens à ce sujet est des plus surprenantes : la lumière est à la fois onde et particule. Comment deux visions apparemment contradictoires peuvent-elles cohabiter? C'est ce que nous verrons dans ce qui suit.

La lumière comme particule

Certains phénomènes optiques, comme la réflexion et la réfraction, s'intègrent bien dans le cadre d'une théorie corpusculaire de la lumière. De plus, au début du XXe siècle, Albert Einstein démontra, avec sa théorie de l'effet photoélectrique, que la lumière se comportait comme si elle était formée d'une multitude de petits paquets d'énergie. Einstein les baptisa « photons ». Il est intéressant de noter qu'Einstein se mérita un prix Nobel pour cette théorie, et non pour sa théorie de la relativité, qui était toujours contestée à sa mort.

La lumière comme onde

Certains physiciens ont proposé que la lumière est en fait une onde. Cette affirmation était corroborée par certains phénomènes comme la diffraction et l'interférence. La théorie ondulatoire de la lumière a longtemps été contestée, car, selon certains, une onde a besoin d'un support matériel pour se propager (comme les ondes sonores qui doivent se propager dans de la matière). C'est alors que la notion d'éther a été introduite pour contrer ce problème. L'existence d'une telle substance n'a cependant jamais pu être démontrée.

La théorie ondulatoire de la lumière a gagné ses lettres de noblesse lorsque James Clerk Maxwell associa la lumière à un phénomène électromagnétique. Ainsi, la lumière étant une onde électromagnétique, elle n'avait pas besoin d'un milieu dans lequel se propager. Elle pouvait très bien se déplacer dans le vide.

D'après la théorie électromagnétique de la lumière, une onde lumineuse est constituée de la superposition d'un champ électrique et d'un champ magnétique oscillant dans le temps avec une fréquence f et se déplaçant, dans le vide, à une vitesse c.


Conception électromagnétique de la lumière

Pour une approche simplifiée de l'onde électromagnétique, on considère généralement uniquement la variation de l'amplitude du champ électrique associé à l'onde. Cette approche permet de traiter l'onde comme un phénomène scalaire et non vectoriel. L'amplitude du champ électrique associé à l'onde lumineuse se propageant le long de l'axe x est alors décrite par la relation suivante :

E(xt) est l'amplitude du champ électrique au point x et au temps t, E0 est l'amplitude maximale du champ électrique, est la longueur d'onde et T est la période d'oscillation.

La période et la fréquence de l'onde sont reliées par la relation suivante :

Si l'unité de temps utilisée pour mesurée la période T est la seconde (s), l'unité de la fréquence f est l'inverse de la seconde (s-1) ou le hertz (Hz). Enfin, la théorie électromagnétique de la lumière nous offre une relation entre la longueur d'onde, la fréquence et la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique :

Le spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique couvre l'étendue complète des ondes électromagnétiques de toutes longueurs d'onde (ou, de façon équivalente, de toutes fréquences). Le spectre électromagnétique s'étend donc au-delà de la lumière visible. Des basses fréquences aux hautes fréquences (ou des grandes longueurs d'onde aux petites longueurs d'onde) on retrouve les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges (IR), la lumière visible, les ultraviolets (UV), les rayons X et les rayons gamma. On constate, à l'aide de la figure suivante, que la lumière visible ne couvre qu'une infime partie du spectre électromagnétique.


Spectre électromagnétique

Il est important de noter que les limites entre les différents domaines du spectre électromagnétique sont floues, variant d'une source à l'autre. Il faut aussi faire une distinction très importante entre le spectre électromagnétique et le spectre d'une source lumineuse. Ce dernier représente plutôt le contenu en longueurs d'onde d'une lumière donnée.

Une théorie dualiste de la lumière

Depuis le début du XXe siècle, les physiciens utilisent une théorie dualiste de la lumière (et même de la matière en général). On parle en effet maintenant de la dualité onde-particule de la lumière. Ainsi, la lumière se comporte sous certaines conditions comme une onde et, sous certaines autres conditions, comme une particule. De plus, du point de vue de la physique quantique, les photons seraient des « paquets d'onde », et non des particules ponctuelles. (Ce point de vue a été introduit suite à la relation d'incertitude d'Heisenberg selon laquelle il est impossible de déterminer avec une précision infinie à la fois la vitesse et la position d'une particule.)

La dualité onde-particule de la lumière nous offre une relation, étonnante au premier abord, puisqu'elle relie l'énergie d'un photon (théorie corpusculaire) à la fréquence de l'onde électromagnétique (théorie ondulatoire).

E est l'énergie d'un photon en joules, h est la constante de Planck (h = 6,62 x 10-34 Js) et f est la fréquence de la lumière en hertz.

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