Bernard Valeur, "La couleur dans tous ses éclats"

Qu'est ce que la lumière ?
Des gouttes et des vagues

Comparer la lumière à des gouttes de pluie est une belle métaphore pour illustrer le fait que la lumière, ce flux de vagues électromagnétiques qui nous apparaît continu, est également constitué de grains d'énergie, les photons. Gouttes et vagues, photons et ondes, sont les deux facettes indissociables de la lumière. Impossible d'interpréter tous les phénomènes lumineux si on se limite à un seul des aspects, photon ou onde. Ainsi l'effet photoélectrique, qui consiste en l'éjection d'électrons d'une surface métallique éclairée par de la lumière, s'explique par les impacts successifs des photons incidents sur le métal. En revanche, les couleurs des bulles de savon (voir p. 40) et le superbe bleu des ailes des papillons morpho (voir p. 48) trouvent leur origine dans le caractère ondulatoire de la lumière.
Les physiciens ont mis du temps à accepter cette double identité de la lumière, à la fois photon et onde. Paradoxalement, alors que l'identité corpusculaire allait devenir la plus difficile à établir (elle ne le sera définitivement qu'au XXe siècle), c'est d'abord elle qui est apparue sur le passeport de la lumière dès l'Antiquité. Isaac Newton (1642-1727) en particulier postula que la lumière était constituée de corpuscules matériels de diverses masses qui, atteignant le fond de l'oeil, engendraient des vibrations produisant diverses sensations de couleur, selon la taille des corpuscules. Mais attention, nous savons aujourd'hui que la lumière est en fait immatérielle et que les photons n'ont pas de masse !
A l'époque, la théorie de Newton atteint rapidement ses limites. Car une description corpusculaire ne permettait pas d'expliquer les phénomènes lumineux étranges qu'étaient les interférences et la diffraction (voir p. 40 à 43) : comment des grains de lumière pouvaient-ils engendrer des figures géométriques colorées comme des cercles concentriques ou des lignes parallèles ? Le mystère était total. C'est en cherchant à le percer que les physiciens du XIXe siècle ont été conduits à reprendre l'hypothèse formulée par Christiaan Huygens en 1690 : la lumière se propage sous forme d'ondes comme le son. Parmi ces physiciens, Thomas Young réalise des expériences sur les interférences qu'il interprète sommairement en terme de superpositions d'ondes. Et surtout, Augustin Fresnel publie en 1816 la première théorie complète de l'optique ondulatoire grâce à laquelle il parvient à expliquer quantitativement la diffraction et les interférences.
Reste qu'on ne connaît alors toujours pas la nature profonde de ces ondes lumineuses. James Clerk Maxwell, pourtant préoccupé par un tout autre domaine, apporte un début de réponse en 1865. En cherchant à unifier l'électricité et le magnétisme, il montre qu'un champ électrique et un champ magnétique peuvent osciller de conserve et se propager sous la forme d'ondes appelées ondes électromagnétiques. D'après sa théorie - un des piliers de la physique -, ces ondes se propagent à la même vitesse que… la lumière. Curieuse coïncidence. Et si la lumière faisait partie de l'une de ces ondes ? C'est ce que Heinrich-Rudolf Hertz démontrera brillamment en 1885 en réussissant à produire des ondes électromagnétiques et en établissant que leurs lois s'avèrent en tous points semblables à celles de la lumière en optique.
Grâce à Maxwell et Hertz, nous savons aujourd'hui que les ondes électromagnétiques/ondes lumineuses sont caractérisées par une longueur d'onde (la distance entre les crêtes de l'onde) et une fréquence (le nombre d'oscillations complètes ou de cycles par seconde). La gamme de longueurs d'onde visibles par notre oeil s'étend de 400 nanomètres (violet) à 700 nanomètres (rouge) environ. Les fréquences correspondantes sont très élevées : elles vont de 400 mille milliards à 800 mille milliards de hertz (1 hertz = 1 cycle par seconde). Les longueurs d'onde visibles ne représentent qu'une infime partie des ondes électromagnétiques : infrarouges, rayons ultraviolets, rayons X, et rayons gamma sont autant de gammes d'ondes électromagnétiques non perçues par l'oeil, car possédant une longueur d'onde en dehors du spectre visible (Figure 2). Mais au fait, pourquoi percevons-nous des couleurs quand notre oeil, lui, capte des ondes électromagnétiques ?

Bernard Valeur est physico-chimiste, professeur émérite au Conservatoire des arts et métiers (CNAM, Paris). Il a publié aux Éditions Belin Lumière et luminescence [2005], Sons et lumière [2008,] et est l'un des auteurs de l'ouvrage pluridisciplinaire Matière et matériaux [2010].