29 notions-clefs : la lumière

Acte III - Les voyageurs
Auteurs : Pierre Léna(plus d'infos)
Résumé :
Document issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Publication : 11 Juillet 2014

Sur la terrasse, sous les pins, devant un champ d’oliviers qui dansent dans la chaleur intense de l’après-midi. Crissement des cigales. Une table de ping-pong est disposée au bord d’une piscine. De temps à autre, Sophie et Jean échangent des balles.

Jean. — Aujourd’hui, je voudrais savoir quel est ce « quelque chose » qui se déplace à la vitesse c ? Finalement, qu’est-ce que la lumière ? Ressemble-t-elle à de minuscules balles de ping-pong ?
Sophie. — Ne sois pas trop pressé, nous n’y sommes pas encore et nous allons faire un détour : interrogeons-nous d’abord sur ce qui est transporté à la vitesse c.
Jean. — Élémentaire, ma chère ! La lumière transporte de la chaleur.
Sophie. — Doucement : la chaleur est la sensation qu’éprouve ta peau ou ce qui produit l’élévation du thermomètre. D’ailleurs, tu sais bien que la chaleur, c’est l’agitation désordonnée des atomes d’un corps.
Jean. — Oui, j’aurais dû dire que la lumière transporte de l’énergie, quoique je ne sache pas très bien comment. Je sais que l’énergie peut prendre bien des formes, mais qu’elle se conserve exactement – par exemple, si j’en mesure la quantité en joules, ou en calories – lors de ses transformations. Donc si la lumière paraît apporter de l’énergie à un corps, par exemple en l’échauffant, c’est bien qu’elle a transporté cette énergie.
Sophie. — Oui : de fait, lorsque la lumière interagit avec de la matière, cette énergie transportée peut se transformer de bien des manières. Elle peut échauffer un corps en étant absorbée plus ou moins complètement par ses atomes, ou bien produire des réactions chimiques : ainsi, dans le feuillage des oliviers qui sont devant nous, la photosynthèse découverte en 1845 par le physicien allemand Julius Robert von Mayer ; ce processus transfère l’énergie de la lumière solaire à des molécules appelées ATP – l’adénosine-triphosphate cellulaire – tout en libérant des molécules de dioxygène O2 à partir de l’oxygène contenu dans l’eau H2O. Ainsi du jaunissement du papier journal, de la transformation des ions argent dans la pellicule photographique, comme l’a mis le premier en évidence Nicéphore Niépce en 1816, ou, encore, des transformations chimiques de la molécule appelée « rhodopsine », qui est présente dans les photorécepteurs de la rétine de l’oeil et se trouve au début de la chaîne qui conduit la sensation lumineuse jusqu’au cortex cérébral.
Jean. — Que d’actions étonnantes provoquées par l’énergie que transporte la lumière !
Sophie. — Mais il s’en trouve bien d’autres encore : ainsi l’effet photoélectrique se produit chaque fois que cette énergie lumineuse arrache à un atome un électron, qui devient disponible pour fournir un courant ou une tension électriques. C’est le principe des panneaux solaires, faits de silicium, mais aussi celui des minuscules cellules qui forment la rétine artificielle de nos appareils photographiques numériques. La lumière peut aussi mettre en mouvement les électrons du métal qui constitue une antenne radio, et produire un courant : c’est ainsi que fonctionne un poste à modulation de fréquence ou un radiotélescope détectant l’onde lumineuse émise par une lointaine galaxie.
Jean. — Je crois avoir compris : ce « quelque chose » qui voyage avec la lumière, ce n’est que de l’énergie qui se déplace, y compris dans l’espace vide de matière qui sépare les galaxies. Pourrais-je, par analogie, comparer ce transport d’énergie par la lumière à un autre transport d’énergie, celui qu’assure le son ? Écoute comment cette cigale sur le pin, là-haut, émet de l’énergie sonore par le mouvement de ses élytres : l’onde sonore dans l’air transporte alors cette énergie qui parvient finalement à mon oreille et met en branle mon tympan.

Sophie. — Oui, et je retiens au passage ta remarque : tu as bien conçu que le vide – celui que nous obtenons lorsque, à l’aide d’une pompe, nous éliminons parfaitement tous les atomes d’un certain volume – n’est pas vraiment vide de tout contenu physique, puisqu’il peut contenir de l’énergie. Mais cela nous entraînerait trop loin… Avant de quitter cette question, conviens toutefois que l’énergie est une quantité qui n’a pas de direction particulière (ce n’est pas une force, ce n’est pas un vecteur, disent les plus savants). Or le transport de cette énergie se fait, lui, dans une direction bien précise, celle du rayon lumineux : la lumière transporterait-elle en outre une autre quantité, quelque chose qui possède une direction ? Tu vas être surpris au récit d’une ou deux expériences. Imagine un récipient en verre vidé de tout atome, dans lequel est suspendu par un fil fin une légère plaque métallique réfléchissante (cf. le dessin ci-contre). Éclairons la plaque avec le faisceau de mon laser ou de la lumière solaire : nous la voyons se déplacer, comme poussée par le rayon de lumière. Un mouvement apparaît donc dans une direction précise, et nous dirons que la plaque, non seulement reçoit de l’énergie, mais encore « du mouvement » (qu’on appelle quantité de mouvement, car un corps en mouvement peut en contenir plus ou moins, selon sa masse et sa vitesse). Comme l’énergie, la quantité de mouvement peut se manifester de diverses façons, mais elle se conserve dans ses transformations ; songe au choc de deux boules sur ce billard : si la blanche s’arrête, la rouge part, emportant la quantité de mouvement de la blanche. Il n’est donc pas sot de faire l’hypothèse que la lumière transporte aussi une certaine quantité de mouvement, une impulsion qu’elle peut communiquer et qui produit alors un mouvement dans une direction bien déterminée.
Jean. — Mais si la lumière est capable de pousser ainsi la matière, on pourrait l’utiliser pour une propulsion, réaliser une voile solaire…

L’impulsion transportée par la lumière du laser pousse la plaque métallique, suspendue dans le vide à un fin fil.
Sophie. — Tu ne crois pas si bien dire : certains y songent pour naviguer dans l’espace, pour les voyages interstellaires. Le grand Johannes Kepler avait remarqué que la queue des comètes, formée – nous le savons aujourd’hui – de minuscules grains de poussière, est toujours dirigée à l’opposé du Soleil (cf. le dessin ci-contre). Il en avait déduit que le Soleil devait agir à distance sur cette queue, mais n’avait su proposer une explication. Aujourd’hui, nous savons que c’est la pressssion de radiation de la lumière qui en est responsable, cette pression qui, avec une voile adaptée, fournira peut-être demain un moyen de propulsion permettant d’atteindre les étoiles les plus proches du Soleil en un siècle environ…
Nous pouvons donc raisonnablement conclure : nous ne savons toujours pas ce qu’est la lumière, mais lorsque, après son parcours, nous observons son interaction avec de la matière (végétaux, plaque métallique…), nous constatons que se manifestent alors de l’énergie et du mouvement. Si nous sommes convaincus qu’énergie et quantité de mouvement ne peuvent pas apparaître « à partir de rien », il nous faut bien conclure que la lumière les transporte : l’interaction de la lumière avec la matière les rend alors perceptibles et même mesurables.

La queue d’une comète est toujours dirigée
à l’opposé du Soleil qui l’éclaire.

 

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