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Où va la lumière quand on l'éteint?

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  • Où va la lumière quand on l'éteint?

    La lumière était là, fière et brillante, et tout à coup, «saint Interrupteur» intervenant, elle disparaît. Va-t-elle dans un trou noir ? Dans un réservoir ? Rebrousse-t-elle chemin ? Où se cache-t-elle ? Encore faudrait-il savoir ce qu'est réellement la lumière. Quelle est sa nature, son vrai visage ? Depuis que l'homme a compris qu'il était bon de se poser des questions, il essaie de faire… la lumière sur ce problème.

    Commençons par le commencement. Juste après que Dieu eut créé la terre et le ciel, voyant que tout était plongé dans les ténèbres, il dit : «Que la lumière soit !» Et la lumière fut. C'est ainsi que le premier livre de la Bible, la Genèse, décrit la naissance de la lumière. Et son importance.

    Dès l'Antiquité, les savants s'interrogent sur sa nature. On trouve ainsi sur un bas-relief égyptien la représentation des rayons solaires comme un flux de fleurs multicolores. La grande querelle était déjà presque lancée. La lumière est-elle une onde qui se propage dans l'espace comme des vagues à la surface de l'eau, ou est-elle un flux de particules matérielles ?

    Au XVIIe siècle, Descartes puis Newton développent des modèles corpusculaires de la lumière à partir d'observations faites avec les premiers instruments d'optique fort rudimentaires mais déjà très efficaces. En réponse, le grand savant Christiaan Huygens développe un système où la lumière est une onde, permettant ainsi d'expliquer les phénomènes de diffraction et de réfraction de la lumière. Mais le poids scientifique de Newton l'emporte, ses expériences sur la décomposition de la lumière blanche et son télescope à miroir étant très convaincantes. La lumière va donc rester pendant près de deux siècles un flux de particules ayant chacune une couleur déterminée.

    Compter les photons

    Ce n'est qu'au XIXe siècle que la balance penche du côté ondulatoire grâce aux travaux de Thomas Young en Angleterre et d'Augustin Fresnel en France. Leur démonstration est si pertinente que la nature ondulatoire de la lumière emporte tous les suffrages. Exit les particules. Surtout quand Heinrich Hertz réussit à émettre les ondes appelées aujourd'hui «hertziennes» qui ne diffèrent de la lumière que par leur longueur d'onde plus élevée. Il faudra attendre le début du XXe siècle pour voir le retour des particules de lumière. Et ce grâce aux travaux de Max Planck, avec la naissance de la physique quantique, et d'Albert Einstein qui fait l'hypothèse que la lumière est elle aussi, comme la matière, quantifiée, c'est-à-dire qu'elle est formée de grains d'énergie qui se comportent comme des corpuscules. Cette idée mettra des années à s'imposer.

    Mais le plus extraordinaire est qu'il sera démontré que tout le monde avait en partie raison et en partie tort. Car la lumière est à la fois onde et particules, les fameux «photons». La difficulté est qu'on ne peut pas vraiment les dessiner. Dans le monde quantique, les lois et les représentations physiques n'ont rien à voir avec celui que nous percevons par nos sens. S'ils devaient ressembler à quelque chose, c'est plus à un fantomatique nuage d'énergie qu'à une boule de billard.

    Mais on peut tout de même les compter. Et les flux de photons sont en général moins nombreux que les flux de matière. Ainsi, un robinet débite de l'ordre de un million de milliards de milliards de molécules d'eau par seconde. Allongé(e) sur la plage pour bronzer, vous recevez 300 fois moins de photons par seconde. En regardant la pleine lune, votre œil ne reçoit «que» 10 milliards de photons par seconde. Des expériences ont montré que chacune des cellules tapissant la rétine (elles sont de l'ordre de 100 millions) n'a besoin que de 2 à 3 photons pour produire un influx nerveux. Nous «voyons» donc presque, sans le savoir, les photons un par un.

    La connaissance de la nature véritable de la lumière a permis de la domestiquer. Dans les lasers par exemple mais aussi dans les détecteurs des appareils photo et caméras vidéo numériques, dans les lecteurs de codes-barres, dans les lecteurs et graveurs de CD, dans les imprimantes ou dans la transmission de l'information par fibre optique.

    Et aujourd'hui, on est même capable de ralentir la lumière. Ainsi, à la fin des années 1990, des chercheurs ont réussi à la freiner jusqu'à 17 m/s, soit 61 km/h. D'autres équipes ont réussi à la ralentir jusqu'à 3 m/s. Voire à la stopper quelques fractions de seconde. Alors qu'elle voyage dans l'espace à 300 000 km/s. Et que cette vitesse est une barrière indépassable dans notre univers.

    Mais on commence à soupçonner que les règles qui s'appliquent dans notre monde macroscopique ne sont peut-être pas les mêmes que dans le monde quantique dont font partie les photons.

    Par Jean-Luc Nothias, Le Figaro
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