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.

Maxwell

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 nanomètres, c’est-à-dire en milliardièmes de mètre, et varie entre 380 et 800 nanomètres.

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 700 nanomètres nous apparaît rouge. Si la longueur d’onde est proche de 500 la couleur est jaune et près de 400 nanomètres 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 800 nanomètres 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 10 et 400 nanomètres, 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.