Nature physique de la lumière

La lumière au sens strict du terme désigne le rayonnement électromagnétique perceptible par l’œil humain. Dans un autre sens physique, la lumière désigne une plus grande zone de rayonnement électromagnétique, qui se situe entre le rayonnement micro-ondes et le rayonnement X. Parallèlement à la lumière visible, cette définition comprend également la lumière infra-rouge et le rayonnement ultra-violet.

Physiquement, le phénomène de lumière peut être décrit par deux modèles principaux de pensée : D’un côté la lumière obéit dans les vastes domaines macroscopiques aux lois de la théorie des ondes. La lumière monochromatique peut de fait être correctement décrite comme le rayonnement électromagnétique continu d’une fréquence et d’une intensité données. Des fréquences ou des longueurs d’ondes spécifiques peuvent être classées selon les différents types de lumière (UV, lumière visible, IR, mais aussi de couleur). Le classement selon ces longueurs d’onde définit le spectre connu de la lumière visible.

À cet effet la fréquence de chaque couleur correspond à l’intensité énergétique relative de la lumière. Ainsi la lumière rouge est proportionnellement plus pauvre en énergie que la lumière bleue. De même la lumière infrarouge est sensiblement plus pauvre en énergie que la lumière UV.

Une autre approche s’appuie sur les propriétés de physique quantique de la lumière. Si l’on quitte le domaine macroscopique, une nature discontinue apparaît à la lumière (et à d’autres rayonnements électromagnétiques).

L’énergie du rayonnement n’est pas transmise de façon continue - comme dans la théorie des ondes. Bien plus, elle semble être caractérisée par un certain grain. La lumière n’est donc pas transmise en petites doses ad libitum, elle est transportée par la transmission d’unités minuscules. Planck a été le premier à découvrir ce phénomène, il fut à l’origine de la dose d’efficacité ou « constante de Planck ».

Par analogie à la théorie des ondes, chaque photon possède une énergie spécifique, qui correspond à cette couleur ou longueur d’onde. Chaque photon est indivisible, la lumière monochromatique est ainsi représentable comme multiple d’un tel quantum.

Les deux théories ont leur justification et se distinguent avant tout par l’application de leurs échelles. Ceci est désigné sous le terme de dualité onde / particule. Comme ce guide traite uniquement du domaine macroscopique, la théorie des ondes sera surtout appliquée par la suite.

Dans une approche encore plus étendue, la lumière peut être présentée sous la forme d’un modèle de rayonnement simplifié. Les rayonnements lumineux y sont construits le long d’une ligne de jonction entre la source lumineuse et le point cible à considérer. Avec ce modèle simple, de nombreux phénomènes optiques importants tels que

Des éclairages mixtes sont créés par le mélange de composantes monochromatiques. Si l’on considère la composition spectrale d’une telle lumière, chaque composante monochromatique peut aussi être identifiée et séparée après le mélange. Les propriétés des ondes des types de lumières utilisés à l’origine sont donc conservées.

Le mélange de chaque composante monochromatique en une lumière polychromatique peut être agrandi ad libitum. De façon très simpliste, on peut dire que : Si un spectre comprend de la lumière de toutes les longueurs d’onde visibles et si leurs intensités sont réparties équitablement, cette lumière nous paraîtra de couleur blanche. La lumière blanche idéale est représentée par le spectre du soleil.

La qualité d’une source lumineuse artificielle doit toujours approcher des caractéristiques de la lumière du soleil, car nos yeux sont adaptés à cette qualité lumineuse comme le résultat d’une évolution au cours de millions d’années. À grande distance, la lumière solaire est la source d’énergie essentielle à toute la vie sur terre. C’est-à-dire, pour simplifier, que les producteurs (plantes, algues, etc.) transforment de l’énergie et des matières premières anorganiques en biomasse sous l’effet des processus de photosynthèse.

Le plus fréquemment il s’agit ici d’une photosynthèse sur base de chlorophylle. Ce processus de synthèse produit du sucre à partir du dioxyde de carbone et de l’eau. Ce sucre (glucose) stimule tous les autres processus en tant que fournisseur d’énergie de la respiration cellulaire. Les consommateurs (êtres humains, animaux, champignons) consomment les producteurs et participent ainsi indirectement à la récupération de l’énergie photosynthétique.

Parallèlement à l’apport d’énergie, la lumière solaire, en tant qu’un des phénomènes naturels dominants, a d’autres relations profondes aux systèmes biologiques. Dans ce cadre, le rythme Jour-Nuit de 24 heures représente le cycle naturel essentiel. De fait, les variations naturelles de la lumière solaire ont une influence sur de nombreux processus des organismes vivants, êtres humains compris. De même, les saisons des régions du globe éloignées de l’équateur sont directement asservies au phénomène de lumière - via les variations du rayonnement solaire.