vignette|Rayons de lumière sortant des nuages. Dans son sens le plus habituel, la lumière est le phénomène à l'origine d'une sensation visuelle. La physique montre qu'il s'agit d'ondes électromagnétiques. Le spectre visible est la zone du spectre électromagnétique que voient les mammifères et la plupart des autres espèces animales ; il inclut la longueur d'onde où l'éclairement énergétique solaire est maximal à la surface de la Terre, par un effet d'adaptation à l'environnement. Il s'étend autour d'une longueur d'onde de , plus ou moins un tiers.
L'optique est la discipline qui étudie la lumière. Comme les lois de la propagation de la lumière sont largement semblables à celles des autres rayonnements électromagnétiques, d'autant plus que leurs longueurs d'onde sont proches du spectre visible, l'optique s'étend souvent à d'autres ondes électromagnétiques situées dans les domaines infrarouge et ultraviolet ; c'est ainsi qu'on parle de lumière noire, de lumière ultraviolette ou de lumière infrarouge, ce qui pousse parfois à utiliser le terme de lumière visible pour éviter toute ambiguïté. La lumière, y compris ces rayonnements invisibles, transporte une grande partie de l'énergie solaire jusqu'à la surface de la terre et maintient l'équilibre de l'environnement naturel, avec la régénération de l'oxygène par la chlorophylle des plantes.
Pour l’être humain, la lumière indispensable à la vision tient une part importante du bien-être et de la vie sociale. L'éclairage est une spécialité artistique et industrielle qui fait l'objet de normes légales. L'optique physiologique étudie plus particulièrement la perception de la lumière par les êtres humains. La photométrie relie les mesures physiques des rayonnements électromagnétiques à la vision humaine ; la colorimétrie les relie à la perception des couleurs.
La lumière a une forte valeur symbolique ; permettant de percevoir les objets avant de les toucher, elle s'associe, dans toutes les cultures humaines, à la connaissance.
Propagation et perception
La lumière se déplace en ligne droite dans le vide à une vitesse strictement fixe. Dans les autres milieux, la propagation, toujours plus lente, peut dépendre de la longueur d'onde ; on parle alors de milieu dispersif. La lumière est un peu plus lente dans l'air que dans le vide, et notablement plus lente dans l'eau.
La présence de particules entraîne la diffusion des ondes lumineuses. Quand ce phénomène est négligeable à l'échelle où on l'étudie, on parle de milieu homogène. La diffusion des ondes par l'air, cause de la couleur du ciel, est négligeable à l'échelle d'un instrument d'optique.
La lumière peut changer de trajectoire lors du passage d'un milieu à un autre. Le principe de Fermat ou les lois de Snell-Descartes relient les changements de trajectoire de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu à l'autre à sa vitesse dans chacun des milieux. Quand le milieu est dispersif, la trajectoire varie selon la longueur d'onde, et le faisceau lumineux se trouve décomposé selon la longueur d'onde. Ce phénomène se rencontre dans la nature avec l'arc-en-ciel.
La lumière n'est perçue par un récepteur que si elle va directement dans sa direction.
La perception de la lumière est qualitativement différente selon son intensité et son incidence sur l'œil. Quand la lumière est faible, ou qu'elle atteint une région périphérique de la rétine, l'être humain n'en perçoit que l'intensité : c'est une vision en « noir et blanc » et gris intermédiaires. Quand l'éclairement se trouve dans le domaine de vision de jour, une partie centrale de la rétine, la fovéa, analyse grossièrement le spectre lumineux en trois bandes, ce qui permet la vision des couleurs.
Limites du spectre visible
La physique caractérise les ondes électromagnétiques par leur longueur d'onde ou leur fréquence. La longueur d'onde est égale au quotient de la vitesse de la lumière par la fréquence. La fréquence est invariable, mais la vitesse de la lumière, et par conséquent la longueur d'onde, varie selon le milieu. Quand, pour la lumière, on parle de longueur d'onde sans autre précision, c'est dans le vide, où la vitesse de la lumière est la plus grande. Dans l'air, elle est peu inférieure.
Les limites du spectre visible sont imprécises. La sensibilité visuelle diminue progressivement en s'éloignant d'un maximum autour de () dans le domaine de vision diurne (vision photopique), () quand la lumière est faible (vision scotopique). Cette sensibilité varie selon les espèces, dont les relations avec leur environnement déterminent l'importance pour la survie de telle ou telle région du spectre., tout en correspondant toujours approximativement à celle où l'énergie du rayonnement solaire est la plus forte à la surface de la Terre.. Elle décroît progressivement autour du maximum ; les limites qu'on lui donne dépendent donc du seuil qu'on lui fixe. Chez l'Homme, on considère que le spectre visible s'étend normalement dans une plage entre une limite entre et une autre entre . À ces valeurs, la sensibilité est au mieux 2500 fois moindre qu'au maximum. Dans des conditions exceptionnelles, comme pour d'autres espèces animales, les limites du visible peuvent s'éloigner.
Du fait de la dualité onde-corpuscule on peut aussi considérer les ondes électromagnétique comme un flux de photons, dont l'énergie est proportionnelle à la fréquence du rayonnement, lorsqu'on le considère comme une onde. La lumière visible se situe à une énergie autour de . Cette énergie intéresse en particulier la photochimie.
Limites du rayonnement lumineux La physique étudie l'environnement en essayant de s'affranchir des incertitudes de la perception humaine, mais son développement historique en a dépendu étroitement. Avant que les physiciens considèrent la lumière comme une partie du rayonnement électromagnétique, l'optique a établi des méthodes à partir de la lumière visible. La photographie a montré que les lois de l'optique s'appliquaient à des rayons invisibles. Si l'on définit la lumière par « rayonnement qui s'étudie par des systèmes optiques », on peut étendre énormément son champ. Un radiotélescope les applique dans ses antennes. Ce sont les points communs de ces rayonnements qui les font assimiler à la lumière : les ondes sont incohérentes, c'est-à-dire qu'on ne peut prévoir la phase en un point et à un instant donné, mais seulement mesurer une énergie moyenne ; les rayonnements sont peu pénétrants, ce qui permet d'appliquer les lois de la réflexion.
Photométrie
Du point de vue physique, il est tout à fait indifférent qu'un rayonnement soit visible ou non. L'évaluation de l'effet d'un rayonnement électromagnétique sur l'éclairement est l'objet de la photométrie. Ces études, entreprises depuis le , ont abouti à l'établissement de courbes ou de tables d'efficacité lumineuse spectrale. On peut ainsi, connaissant la puissance d'un rayonnement pour chaque longueur d'onde, calculer son effet lumineux. Plus pratiquement, avec un capteur muni d'un filtre (optique) approprié, on peut mesurer un flux lumineux ou un éclairement lumineux ; ..
Couleur
Lorsque le niveau lumineux est suffisant (vision photopique), l'être humain distingue des couleurs, correspondant à la répartition spectrale des lumières qui lui parviennent. La vision est une perception complexe, une activité cognitive dans laquelle plusieurs aires cérébrales collaborent, comparant les sensations à celles enregistrées dans la mémoire, avec plusieurs effets en retour. En particulier, la vision des couleurs s'adapte à l'éclairage ambiant, de façon à attribuer aux objets une couleur, même si, du fait d'une variation de la lumière, la rétine reçoit des rayonnements différents, notamment chapitre « couleur »..
L'être humain est trichromate, son œil comporte trois types de récepteurs, dont la sensibilité spectrale est différente ; les différences entre leurs réponses est à la base de la perception des couleurs. Par conséquent, deux lumières de composition spectrale très différente peuvent être perçues comme étant de la même couleur, si leur influence sur les trois types de récepteurs est égale. On dit alors que les lumières sont métamères. C'est cette particularité que l'on exploite dans la photographie et l'impression en couleurs, ainsi que dans les écrans de télévision et d'ordinateur. Avec trois couleurs bien choisies, dites couleurs primaires, on peut créer, soit par synthèse additive, soit par synthèse soustractive, la perception de très nombreuses couleurs. L'étude de la perception des couleurs, selon les caractéristiques physiques du rayonnement lumineux, est l'objet de la colorimétrie..
Description physique de la lumière Ondes et corpuscules
Divers phénomènes physiques mettent en évidence parfois l'aspect corpusculaire, parfois l'aspect ondulatoire de la lumière. Selon les cas, la lumière présente des propriétés soit propres à une onde, sans localisation , soit propres à un objet localisé, un corpuscule .
L'approche corpusculaire est inévitable lorsque les énergies en jeu sont si faibles qu'on ne peut rien en prélever pour la mesure sans perturber le système. L'approche ondulatoire sert en optique et dans les cas qui concernent des puissances incomparablement plus grandes que celle des photons. Ses modèles supposent que les phénomènes sont mesurables sur une échelle continue.
Vitesse
La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (comme célérité), est une constante de la physique. Cette propriété a été induite de l'expérience d'interférométrie de Michelson et Morley et a été clairement énoncée par Albert Einstein en 1905.
La vitesse de la lumière dans le vide est la vitesse maximale possible pour tout déplacement d'énergie.
Addition des vitesses et célérité La loi d'addition des vitesses est à peu près vraie pour des vitesses faibles par rapport à la vitesse de la lumière. Du point de vue de la physique classique, un voyageur marchant dans un train a, par rapport au sol, une vitesse égale à celle du train plus (vectoriellement) sa propre vitesse de marche dans le train. Et l'on écrit , soit la distance parcourue par le train plus la distance parcourue dans le train est la distance parcourue par le voyageur par rapport au sol dans le temps qui est classiquement le même dans le train et au sol, ce qui implique la loi classique d'addition des vitesses. Cette approximation devient de moins en moins précise à mesure que la vitesse considérée augmente.
Un photon va à la même vitesse que ce soit par rapport au sol ou par rapport au train. La loi d'addition des vitesses n'est qu'une approximation de la loi dite de transformation sur les vitesses de Lorentz (appelée parfois d'addition des vitesses, ou plus correctement loi de composition des vitesses). Ce résultat est l'une des caractéristiques de la relativité restreinte ; la loi de composition des vitesses issue des transformations mathématiques de Lorentz donne à la limite des faibles vitesses (par rapport à la vitesse ) les mêmes résultats que les transformations de Galilée.
En résumé, la composition des vitesses est en vitesse classique, la transformée de Galilée :
en vitesse relativiste, la transformée de Lorentz :
Dans les matériaux La vitesse de la lumière n'est pas toujours la même dans tous les milieux et dans toutes les conditions. Les écarts de vitesse observés entre deux milieux sont liés à l'indice de réfraction, qui caractérise les réponses des milieux à la traversée d'une onde électromagnétique.