Rai de lumière sur le Bois de la Cambre.

La lumière est un phénomène physique, un transport d'énergie sans transport de matière. Dans son acception générale de lumière visible, elle est constituée de l'ensemble des ondes électromagnétiques perçues par la vision humaine, c'est-à-dire dont les longueurs d'onde, dans le vide, sont comprises entre 380 nm (violet) et 780 nm (rouge). Par un effet d'adaptation des espèces vivantes à leur environnement, cette région du spectre électromagnétique recoupe celle où l'éclairement énergétique solaire est maximal à la surface de la Terre.

La discipline qui étudie la lumière est l'optique. 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, 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. 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.

Pour l’être humain, la lumière est indispensable à la vision, et 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. La lumière 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.

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 et au progrès (philosophie des lumières).

Propagation et perception

La lumière se déplace en ligne droite dans tout milieu transparent homogène, en particulier le vide ou l'air très sec. Elle peut en revanche changer de trajectoire lors du passage d'un milieu à un autre. Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse strictement fixe et moins vite dans les autres milieux. L'affirmation « la vitesse de la lumière est constante », n'a de sens que « dans le vide », ce qui est souvent sous-entendu. La lumière est un peu plus lente dans l'air, et notablement plus lente dans l'eau. Le principe de Fermat ou les lois de Descartes permettent de déduire les changements de trajectoire de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu à l'autre en fonction de sa vitesse dans chacun des milieux.

La lumière peut d'ailleurs être décomposée (les faisceaux prennent des directions différentes selon leur longueur d'onde, et donc selon leur couleur pour la lumière visible) en traversant différents milieux transparents, car la vitesse peut dépendre de la fréquence. La lumière n'est perçue par un récepteur que si elle va directement dans sa direction.

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 XVII siècle, 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.

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

En 1678, Christian Huygens propose une théorie ondulatoire de la lumière, publiée en 1690 dans son Traité de la Lumière. Thomas Young expérimente en 1801 la diffraction et les interférences de la lumière. En 1821, Augustin Fresnel énonce que la conception ondulatoire de la lumière est seule capable d’expliquer de façon convaincante tous les phénomènes de polarisation en établissant la nature transversale des ondes lumineuses et en 1850, Léon Foucault fait prévaloir la théorie ondulatoire sur la théorie corpusculaire newtonienne avec son expérience sur la vitesse de propagation de la lumière. Il faudra attendre les travaux de James Clerk Maxwell pour expliquer le phénomène ondulatoire : il publie en 1873 un traité sur les ondes électromagnétiques, définissant la lumière comme une onde qui se propage sous la forme d'un rayonnement, le spectre de ce rayonnement n'étant qu'une partie de l'ensemble du rayonnement électromagnétique, beaucoup plus large : infrarouge, ultraviolet, ondes radio, rayons X… Comme déjà dit, on peut qualifier ces rayonnements de lumière au sens large, ou alors restreindre le mot « lumière » à la lumière visible (« lumière visible » devient alors un pléonasme).

Les équations de Maxwell permettent de développer une théorie générale de l'électromagnétisme. Elles permettent donc d'expliquer aussi bien la propagation de la lumière que le fonctionnement d'un électroaimant. Pour les cas simples, les lois de l'optique géométrique décrivent bien le comportement des ondes (on démontre que ces lois sont un cas particulier des équations de Maxwell). Cette description classique est la plus utilisée pour expliquer la propagation de la lumière, y compris des phénomènes compliqués comme la formation d'un arc-en-ciel ou les fentes de Young.

Newton avait développé une théorie purement corpusculaire de la lumière. Elle est rejetée avec la mise en évidence de phénomènes d'interférence (dans certains cas, additionner deux sources de lumière donne de l'obscurité, ce qui n'est pas explicable par une théorie corpusculaire).

La physique du XX siècle a montré que l'énergie transportée par la lumière est quantifiée. On appelle photon le quantum d'énergie (la plus petite quantité d'énergie, indivisible), qui est aussi une particule. L'existence de cette particule ne contredit pas la théorie ondulatoire, au contraire : la dualité onde-particule (ou onde-corpuscule) en mécanique quantique dit qu'à chacune des particules est associée une onde. Finalement, si on considère le déplacement d'un unique photon, les points d'arrivée possibles sont donnés sous forme de probabilités par l'onde associée. Sur un très grand nombre de photons, chaque lieu d'arrivée est illuminé avec une intensité proportionnelle à la probabilité… ce qui correspond au résultat de la théorie classique.

Vitesse

En 1670, Ole Christensen Rømer mesure indirectement la vitesse de la lumière en observant les décalages de l'orbite de Io par rapport aux prévisions. Plus tard en 1849, Hippolyte Fizeau mesure directement la vitesse de la lumière avec un faisceau réfléchi par un miroir lointain et traversant une roue dentée. 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.

C'est la vitesse maximale permise pour tout déplacement de tout ce qui transporte de l'information ou de l'énergie, conformément à la théorie de la relativité. D'autres unités sont définies à partir de la vitesse de la lumière (cf. infra). En particulier le mètre est défini de telle sorte que la vitesse de la lumière dans le vide vaille 299 792 458 m/s. De ce fait, la vitesse de la lumière est exacte, car elle ne dépend plus d'une mesure (imprécise et susceptible de changement avec des progrès de mesure).

Addition des vitesses et célérité

La loi d'addition des vitesses v' = V+v 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 d = (V+v) t = Vt +vt = la distance parcourue par le train + la distance parcourue dans le train = la distance parcourue par le voyageur par rapport au sol dans le temps t qui est classiquement le même dans le train et, ce qui implique la loi classique d'addition des vitesses. Ceci n'est qu'une approximation, qui devient de moins en moins précise à mesure que la vitesse v considérée augmente.

Un photon va à la même vitesse c 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 c) les mêmes résultats que les transformations de Galilée.

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.

L'écart entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans l'air est très faible (moins de 1%), ce qui a permis de parler en général de vitesse de la lumière au lieu de vitesse de la lumière dans le vide. Cependant, dans la matière condensée, une onde lumineuse peut être considérablement ralentie (par exemple, de 25% dans l'eau. Les physiciens sont même parvenus à ralentir la propagation lumineuse par transparence induite électromagnétiquement jusqu'à une vitesse de quelques mètres par seconde dans des cas extrêmes.

Dans le Système International (SI)

Actuellement, la plupart des unités du système international sont définies à partir de la célérité de la lumière. Une vitesse étant le quotient d'une longueur par une durée, on peut donc définir une distance comme étant le produit d'une durée par une vitesse (en l'occurrence c), ou une durée comme la division d'une distance par c.

La seconde est définie dans le système international par un phénomène lumineux : c'est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyper-fins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.

Le mètre, unité du système international de longueur. De nos jours, il est défini comme la distance parcourue par la lumière, dans le vide, en 1/299 792 458 de seconde. Il s'agit là d'une définition conventionnelle, car toute évolution dans la définition de la seconde aurait une incidence directe sur la longueur du mètre. Avec la définition actuelle de la seconde, le mètre est donc égal à :

${\displaystyle {\frac {9\;192\;631\;770}{299\;792\;458}}}$ fois la longueur d'onde de la radiation choisie.

On peut également dire que la vitesse de la lumière dans le vide est précisément 299 792 458 m·s : il n'y a pas la moindre incertitude sur cette valeur, si ce n'est l'incertitude dans la définition de la seconde.

Le mètre, avec ses sous-multiples ou multiples (millimètre, kilomètre), est très pratique pour mesurer les distances sur la Terre ; par contre pour les astronomes, il est trop court et peu adapté (puisque les astronomes n'observent pratiquement que de la lumière). En effet, la Lune, l'astre le plus proche de nous, est à environ 380 000 000 mètres de nous et le Soleil, l'étoile la plus proche, est à environ 150 000 000 000 mètres. Avec le principe décrit précédemment (distance = c x durée), l'année-lumière est définie comme la distance que la lumière parcourt en un an. Ainsi le Soleil n'est qu'à 8,32 minutes-lumière de nous ; et la Lune est seulement à un peu plus d'une seconde-lumière. L'année-lumière vaut exactement 9 460 730 472 580 800 mètres (soit environ dix millions de milliards de mètres, soit 10 m).

Énergie lumineuse et vie

Biologie

Même si certaines formes de vies au fond des océans peuvent s'en passer, la lumière du soleil est la première source d'énergie des écosystèmes terrestres, via la photosynthèse. Elle contrôle donc les cycles écogéobiologiques et le stockage « fossile » du carbone tels qu'ils existent depuis 3,7 milliards d'années. Elle joue aussi un rôle important en entretenant la couche d'ozone et en limitant la pullulation des microbes sensibles aux ultra-violets et/ou à l'infrarouge. Cette sensibilité est utilisée par certaines techniques de stérilisation.

Inversement, elle contribue à certaines formes de pollution dites « photochimiques » (ozone troposphérique, oxydes d'azote) et inversement à dégrader (photodégradation) certains polluants de l'air, du sol superficiel ou de l'eau (certains pesticides présents dans l'air) par exemple. C'est encore la lumière qui via la durée du jour corrige les horloges biologiques animales, par la production de mélatonine qui est une hormone uniquement produite la nuit, chez la plupart des animaux et chez d'autres espèces. Chez les plantes, la durée du jour contrôle aussi, avec la température, l'apparition des bourgeons, feuilles, fleurs, ou l'ouverture ou la fermeture de fleurs. C'est pourquoi la présence de lumière artificielle dans l'environnement nocturne peut altérer le comportement ou les fonctions de certaines espèces ou des écosystèmes ; phénomène généralement décrit sous le nom de « pollution lumineuse ».

Chez la plupart des espèces la lumière naturelle est vitalement nécessaire au bon accomplissement des cycles biologiques. Chez l'homme, l'exposition aux UV de la lumière solaire sont nécessaires à la synthèse de la vitamine D.

Physiologie

La lumière telle qu’elle est connue dans le monde est un mélange de différentes longueurs d’ondes. La répartition de ces longueurs d'ondes se perçoit, dans des conditions d'éclairement suffisant, comme la couleur.

Le spectre visible est une faible partie de l'ensemble des ondes électromagnétiques. Les fréquences supérieures à la limite supérieure, corresondant à une couleur bleu-violet au violet sont désignées jusqu’à une certaine limite par le terme d'ultra-violets ou U.V. ; celles qui sont de fréquence inférieure à la limite inférieur au rouge sont appelées infra-rouges. La limite du spectre visible est arbitraire ; la sensibilité de l'œil diminue progressivement, et la limite en fréquence dépend du niveau que l'on considère comme négligeable (1%, 0,1% de la meilleure sensibilité, par exemple). On donne en général les valeurs de longueur d'onde de 400 à 700 nanomètres (nm), des valeurs simples à retenir, allant jusqu'à une sensibilité de moins de 1% du maximum. Les tables photométriques vont de 360 à 830 nm ; mais toutes les longueurs d'ondes inférieures à 450 nm se perçoivent comme des couleurs bleu profond très peu différentes, et que toutes les longueurs d'onde supérieures à 630 nm donnent, de même, la même impression visuelle rouge. La largeur de bande de la lumière visible par les animaux peut varier quelque peu par rapport aux capacités visuelles des êtres humains.

Les différents facteurs qui déterminent l’absorption optique des molécules pigmentaires des récepteurs de la rétine sont au centre des préoccupations de la photométrie et de la colorimétrie. La perception des couleurs est rendue possible par les différences entre les spectres d’absorption des pigments des cônes. Les bâtonnets, plus sensibles que les cônes, quant à eux permettent la vision nocturne, sans perception de couleur grâce à un pigment nommé rhodopsine (ou pourpre rétinienne) ayant un spectre d’absorption plus large.

Dans la vision photopique, diurne, la transformation de la lumière en influx nerveux par les cônes permet la perception colorée. L'adaptation visuelle change les caractères de la perception pour la faire correspondre à l'éclairement de la scène vue, et aux rapports perçus entre les surfaces du champ visuel. La correspondance entre lumière définie physiquement et la perception est assez lâche en général. Les êtres vivants, en dehors d'un contexte technologique, n'ont aucun avantage à mesurer la lumière. La vision leur sert à identifier les objets à distance. Les animaux porteurs des caractères les plus à même de favoriser cette fonction ont gagné un avantage dans la sélection naturelle et les ont propagés.

Cycle circadien

La lumière naturelle est pulsée par le rythme circadien, qui influe sur l'ensemble des fonctions vitales. Chez l'homme on peut produire ou soigner une dépression par l'absence ou la présence de lumière. Il a été démontré en 2008 que la prise de mélatonine et l'exposition à la lumière naturelle améliorent les symptômes de troubles des cycles du sommeil ; la prise de mélatonine facilite l'endormissement (huit minutes plus tôt en moyenne) et allonge le sommeil de vingt-sept minutes en moyenne. L'exposition à la lumière naturelle diminuerait aussi chez ces malades les symptômes de dépression (-19 %), les limitations fonctionnelles au quotidien (- 53 %) et la détérioration cognitive (- 5 %). L'association lumière + mélatonine a aussi diminué les comportements agressifs (- 9 %), les phases d'agitation et de réveils nocturnes.

Le D Albert Lachman (spécialiste des troubles du sommeil) estime qu'en améliorant le sommeil du malade, ses fonctions cognitives et l'humeur sont améliorées. Il conseille « de bien éclairer les pièces en journée, de laisser les rideaux ouverts et, à l'inverse, de diminuer les sources de lumière en soirée pour que l'organisme reçoive le signal que la nuit est là […] Malheureusement, dans certaines maisons de repos, pour des questions d'organisation, on fait plutôt l'inverse » ajoute-t-il.

Sources lumineuses

Mesure

En matière de mesure de la lumière, il importe de bien définir de quoi on parle :

l'unité de flux lumineux, ou puissance lumineuse est le lumen = candela.stéradian. Une ampoule électrique courante (15 watts basse consommation ou 75 watts à incandescence classique) produit environ 1500 lumens ;

l'unité internationale d'intensité lumineuse est la candela.

La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques, caractérisées par la longueur d'onde dans le vide, correspondant à un niveau d'énergie, et l'intensité. La longueur d'onde correspond à la perception de couleur de la lumière. Une onde électromagnétique constituée d'ondes de la même longueur d'onde, est dite monochromatique. Si en plus toutes les ondes ont la même polarisation, alors la lumière est cohérente : c'est ce qui se passe dans un laser.

La mesure de la lumière est compliquée par le fait qu'on s'intéresse, en pratique, à la lumière visible, alors que la perception humaine dépend de la longueur d'onde. Le rapport entre ces deux grandeurs, déterminé empiriquement, se trouve dans le tableau des valeurs d'efficacité lumineuse spectrale.

Luminaires naturels

Le Soleil est la source prinicipale de lumière naturelle. Les étoiles plus lointaines rayonnent suffisamment pour être visibles, mais pas assez pour éclairer. La lumière solaire est suffisamment puissante pour que la petite partie de son rayonnement diffusée par l'atmosphère terrestre et réfléchie les objets de la surface suffise pour voir les parties qu'elle n'atteint pas directement.

La Lune réfléchit suffisamment de lumière solaire pour permettre la vision scotopique (nocturne), sans perception des couleurs, des objet que son rayonnement frappe directement.

Les autres petits corps célestes, planètes et leurs satellites, astéroïdes, comètes, etc.), produisent de même moins de rayonnement qu'ils n'en reçoivent, et leur rayonnement, comme celui des étoiles, est insuffisant pour éclairer. Certaines planètes géantes (comme Jupiter ou Saturne) produisent un peu plus de rayonnement qu'elles n'en reçoivent, mais pas suffisamment pour être facilement visibles à l'œil nu depuis la Terre. Les étoiles filantes, quant à elles, sont échauffées par la friction avec l'air et finissent par y brûler. Ce phénomène est source de lumière, également insuffisant pour éclairer.

Les objets chauds émettent un rayonnement électromagnétique dont l'énergie dépend de leur température ; un corps noir produirait une lumière de spectre lumineux à peu près semblable à celui du Soleil à une température d'environ 5 500 kelvins. Les combustions en milieu ouvert échauffent suffisamment de poussières pour que celles-ci produisent de la lumière.

Certains organismes vivants : poissons, mollusques, lucioles et vers luisants, sont le siège de réactions chimiques productrices de lumière.

Luminaires artificiels

Les premières sources artificielles de lumières ont été obtenues par le feu. L'efficacité du luminaire est supérieure avec des matières dont la combustion imparfaite produit des poussières, chauffées par la réaction de parties plus volatiles avec l'oxygène de l'air. Le bitume et la poix renforcent l'éclat des torches. Les arquéologues ont découvert des lampe à huile rudimentaires parmi les objets remontant au Néolithique. Les chandelle et bougies, de principe identique, présentent l'avantage pratique d'un combustible solide, qui ne se liquéfie que par la chaleur de la combustion. La combustion du pétrole ou du gaz), bien réglée, est trop parfaite pour éclairer. Pour cet usage, on disposait l'appareil de sorte qu'un excès de combustible produise les poussière nécessaires, jusqu'à ce que l'invention du manchon à incandescence à la fin du XIX siècle permette l'amélioration du rendement des lampes.

Les lumières électriques sont actuellement les sources les plus courantes de lumière artificielle : lampadaires, spots, phares, lampes-torches, etc., elles peuvent utiliser un phénomène de chauffage ou un phénomène quantique. L'ampoule électrique (« lampe à incandescence ») a révolutionné la vie quotidienne. La source de lumière provient de l'incandescence d'un filament lumineux. Le tube fluorescent est une lumière électrique, ainsi que le tube cathodique qui emploie la technique d'un bombardement d'électrons.

Diode.

La fluorescence, les lasers, les diodes électroluminescentes, les lampes à vapeur de mercure ou de sodium, les plasmas tels que ceux produits par les éclairs dans les orages, produisent de la lumière issue de phénomènes quantiques au cœur des atomes : l'excitation des électrons (« pompage optique »), peut être obtenu par excitation, puis désexcitation de ces électrons, qui en retournant à leur niveau d'énergie habituel, émettent des photons (lumière).

Législation

La lumière compte parmi les facteurs environnementaux dans la loi sur la protection des immissions. Les immissions lumineuses issues de systèmes d'éclairage artificiels peuvent perturber significativement le cycle du sommeil indispensable à l'homme et à la nature en empêchant la réalisation de certains procédés naturels. Les directives sur la lumière, particulières à chaque pays, définissent l'éclairage normatif de l'éclairage (des pièces) et le seuil d'éblouissement (Cf. : Lumière spéculaire) (psychologique). Les lumières aux couleurs intenses et clignotantes peuvent s'avérer particulièrement perturbantes. Le législateur veille à la bonne application de la loi en matière d'environnement, grâce au code de l'environnement ( France). La sécurité en matière de transport (la navigation nocturne, les éblouissements, dus par exemple aux phares de voiture mal réglés ou à un éclairage urbain trop intense), ainsi que l'influence sur la faune sauvage (par exemple, sur les insectes nocturnes, la perturbation des oiseaux migrateurs) et l'éclairage de l'atmosphère en général (la pollution lumineuse nuisible à l'observation de l'espace est souvent due au spectre de lumière (cf. : Diffusion des ondes) émis par les différents luminaires pour l'éclairage nocturne) sont comptés parmi les effets néfastes de la lumière.

Histoire de l'étude de la lumière

Symbolisme

Les premières connaissances sur la lumière sont d'ordre symbolique. L'absence de lumière, les ténèbres, s'associe à la mort. Il est difficile de discerner, dans la pensée religieuse, ce qui concerne la lumière proprement dite et ce qui s'adresse aux divers luminaires d'où elle provient, le soleil, la lune, le ciel, le feu.

La propriété de la lumière de se transmettre à distance sans support matériel alimente une métaphore ancienne, qui l'associe aux idées. Vitellion, savant polonais du XIII siècle traducteur de l’Optique d'Alhazen, rapproche la lumière physique, manifestation de Dieu et la lumière divine, c'est-à-dire le sentiment de Dieu. Pour Georges Duby, l'architecture des cathédrales de l'époque s'organise selon ce parallèle, dit théologie de la Lumière.

Dans le discours philosophique, la lumière est souvent une métaphore de la connaissance. Descartes, qui a produit d'importants travaux d'optique, préface Les Principes de la philosophie en filant cette métaphore : {{citation|il vaut beaucoup mieux se servir de ses propres yeux pour se conduire, et jouir par le même moyen des couleurs et de la lumière (...) c'est proprement avoir les yeux fermés (...) que de vivre sans philosopher (...) ce souverain bien, considéré par la raison naturelle sans la lumière de la foi, n'est autre que la connaissance de la vérité. Cent ans plus tard, le prestige des intellectuels dans la société européenne se résume dans l'expression « le siècle des Lumières », où lumière peut désigner aussi bien les connaissances que ceux qui les établissent ou les diffusent.

Antiquité

Le plus ancien ouvrage connu évoquant la lumière de manière scientifique est intitulé Optique et fut rédigé par Euclide autour de 280 avant Jésus-Christ. À cette époque, le mécanisme de l’imagerie de l’œil et la nature de la lumière sont encore inconnus, mais certains principes émergent, comme la propagation de la lumière en ligne droite dans les milieux homogènes.

Dans son ouvrage, Euclide résume le savoir de l’époque concernant la lumière. Par exemple, la loi de la réflexion est indiquée de manière quantitative, et elle était déjà connue à l’époque de Aristote, soit près de cent ans auparavant. Il s’agit d’une loi empirique, affirmée sans démonstration.

Dans la continuité des travaux de Platon, Euclide conçoit la lumière comme un instrument totalement géométrique de la vision, pour lequel des « rayons » partent de l’œil et sont interceptés par l’objet, au rebours de la conception moderne, où la lumière existe indépendamment de l'observateur. Pour Euclide, il n’est pas possible de parler de lumière ailleurs que dans le champ de vision de l’observateur.

Cette conception va dominer parmi les savants en Europe à peu près jusqu'à la Renaissance.

Pour Euclide, les rayons lumineux s'installent instantanément ; il n'y a pas de propagation de la lumière, les rayons sont là d'emblée. Lorsque l’observateur ouvre les yeux, il voit instantanément des étoiles très distantes.

I siècle

Au I siècle ap. J.-C., Héron d’Alexandrie rédige ses Catoptriques, ouvrage dans lequel il rationalise la propagation en ligne droite de la lumière grâce à une analogie avec la mécanique. En effet, d’après le Principe d’inertie, en supposant que la lumière se propage à vitesse infinie, on impose une vitesse constante: il ne peut donc pas y avoir de changement de trajectoire. En effet, si la trajectoire était différente d’une ligne droite, il y aurait une évolution dans les composantes du vecteur vitesse.

De plus, Héron d’Alexandrie est le premier à parler chemin minimal parcouru par la lumière, seul principe de cette époque qui reste encore valide aujourd’hui. Fidèle à la tradition grecque, il utilise une méthode géométrique et l’idée que la vitesse de la lumière est infinie pour démontrer sa thèse. Cette démonstration est en réalité inexacte car fondée sur des arguments incorrects.

Comme Euclide, Héron d’Alexandrie pensait que la lumière partait de l’œil et venait heurter l’objet. Mais, par chance, la propagation en ligne droite de la lumière ainsi que le principe de retour inverse (compris bien plus tard) permettent à son explication de fonctionner malgré des hypothèses fausses. Il démontre également de manière graphique l’égalité des angles incident et réfléchis à la surface d’un dioptre.

II siècle

Au II siècle ap. J.-C., Claude Ptolémée étudie de manière expérimentale la réflexion et reporte ses travaux dans le cinquième volume de L’Optique. Il découvre que l’angle réfracté est en lien avec la densité du milieu et trouve empiriquement une loi polynomiale de la forme:

Avec a et b deux constantes liées au milieux de part et d’autre du dioptre, θ l’angle incident et θ’ l’angle réfracté.

Cette loi fonctionne pour les petits angles, mais devient fausse lorsque les angles augmentent. Néanmoins, c’est sous cette formulation qu’elle a été utilisée pendant près de 1500 ans.

Galilée et Kepler

L’optique bascule brutalement avec la découverte fortuite des lentilles par des artisans Italiens vers la fin du XIII siècle. Ces systèmes optiques ne seront néanmoins étudiés d’un point de vue scientifique qu’avec l’arrivée de Galilée qui se met à polir des lentilles pour son usage personnel en 1609. Bien que le télescope ait été connu avant lui, Galilée est également le premier à l’utiliser pour l’observation scientifique. Grâce à la lunette astronomique qu’il construit sur le modèle d’une longue-vue hollandaise, il parvient à observer précisément la Lune, puis découvre les Lunes de Jupiter.

Dans le même temps, l’Allemand Johannes Kepler résume l’ensemble des connaissances de l’optique dans son ouvrage Dioptrice, après avoir vérifié les travaux de Galilée. Dans son ouvrage figurent également les premières théories concernant les systèmes à plusieurs lentilles ainsi qu’une nouvelle formulation de la loi de la réfraction.

Avec N une constante dépendant des deux milieux, θ l’angle incident et θ’ l’angle réfracté.

Travaux en Orient

Autour de l'An mille, Ibn Al Haytham (965 - 1039), de son nom latinisé Alhazen, rédige à Baghdad une série de sept ouvrages concernant l'optique, le Traité d'optique. Il y présente des principes fondamentaux, insiste notamment sur le fait que la lumière provient de sources lumineuses et que les rayons viennent ensuite illuminer l'œil. Des explications très claires concernant le fonctionnement de l'œil y sont également rassemblées. Il imagine également le principe des chambres noires, soit environ 500 ans avant que Léonard de Vinci n'ait l'idée du sténopé. Alhazen est également le premier à penser que la lumière se déplace à vitesse finie et en particulier que cette vitesse est plus élevée dans les milieux de faible densité.

La vision de l'optique selon Alhazen reste cependant inexacte car elle est très largement inspirée par des analogies avec la mécanique. Dans son modèle, la lumière doit être représentée sous forme de petits grains soumis à des forces de surface (notamment) qui permettent d'expliquer les lois de la réflexion et de la réfraction. La plupart de ses affirmations sont correctes, mais fondées sur des arguments inexacts.

Alhazen est le savant perse souvent considéré comme le père moderne de l'optique, de la physique expérimentale et de la méthode scientifique. Il peut être vu comme un des premiers physiciens théoriques. Il a notamment travaillé sur des expérimentations révélant que la lumière se propage en ligne droite et sur diverses applications tel que: le comportement des miroirs, la réfraction et la vision humaine. Une traduction latine d'une partie de ses travaux, le Traité d'optique, a exercé une grande influence sur la science occidentale.

Descartes, Snell et Grimaldi

Avec Pierre de Fermat et Isaac Newton, René du Perron Descartes est l'un des principaux fondateurs de l'optique géométrique.

Pour la plupart de ses travaux, la vision de la lumière selon Descartes est géométrique: tous les phénomènes observés se traduisent en termes de rayons lumineux. Ses travaux, exposés dans La dioptrique se concentrent sur la compréhension des phénomènes optiques aux interfaces. Il y expose notamment la formulation exacte de la loi de la réfraction.

Pour prouver la loi de la réfraction, il utilise une analogie entre l’optique et la mécanique. La lumière n’est plus un rayon mais prend un aspect corpusculaire: il interprète la lumière comme un ensemble de petits grains de lumière et parvient, grâce aux lois de la mécanique du point, à trouver les relations exactes pour la réflexion (loi déjà connue longtemps auparavant mais jamais prouvée de cette manière), et de la réfraction. De nouveau, les arguments avancés dans la preuve sont inexacts, mais le résultat est correct.

Parallèlement aux travaux de Descartes, Willebrord Snell établit indépendamment la loi de la réfraction en 1621. Ses travaux sont cependant publiés bien plus tard et ont une approche plus expérimentale que ceux de Descartes. La loi de la réfraction est donc généralement appelée loi de Descartes en France, loi de Snell dans les pays anglophones, voire loi de Snell-Descartes.

Fermat et Rømer

Pierre de Fermat est principalement connu pour sa formulation du principe de Fermat, principe qu’il n’est en fait pas le premier à avoir proposé (Héron d’Alexandrie l’avait déjà évoqué). Il s’agit d’un principe, dans le sens où Fermat constate que la nature agit selon une équation mathématique mais il ne fournit pas d’explication du phénomène.

En 16**, Fermat indique dans une lettre scientifique qu’il constate que la nature agit toujours en prenant le plus court chemin. Sa compréhension du phénomène est que la nature cherchant la simplicité, elle emprunte le chemin le plus court parce qu’il est le plus facile. Poursuivant son idée de facilité du chemin, il introduit la ‘’résistance optique’’, une caractéristique du milieu permettant d’expliquer la réfraction. De plus, avec Ole Christensen Rømer, il est un des premier à affirmer que la vitesse de la lumière est finie. Il pense d’abord que celle-ci est inversement proportionnelle à la résistance optique du matériau, puis que la résistance optique doit être elle-même proportionnelle à la densité du matériau.

Fermat parvient également à redémontrer la loi de Descartes en utilisant des hypothèses totalement différentes de celles de Descartes. Cette loi est ainsi, pour la première fois, démontrée avec des hypothèses exactes.

Quelques années plus tard, Olaf Römer démontre que la vitesse de la lumière n’est pas infinie en observant les satellites de Jupiter. Il observe que la période du satellite est plus longue lorsque la Terre s'éloigne de Jupiter, ce qui impose une valeur finie pour la vitesse de la lumière.

Newton

Contemporain à Descartes et également très impliqué dans le développement de la mécanique, Newton interprète les phénomènes lumineux en termes de forces. Cela lui permet de faire une analogie avec la mécanique du point, certes inexacte dans son principe, mais le conduisant à des résultats corrects.

En 1704, il publie Opticks, ouvrage qui sera considéré par ses pairs comme la description la plus précise de la lumière de son temps. Newton ayant exercé une très large influence dans le milieu de la physique de son époque, les suppositions selon lesquelles la lumière pouvait être une onde furent écartées pendant près d’un siècle car il ne retint pas cette idée.

Opticks est l’occasion de rassembler les résultats d’expériences concernant la réfraction, mais également ceux des phénomènes d’interférences, restés sans explications à l’époque car ils nécessitent un modèle ondulatoire. En utilisant des prismes, il réalise également des expériences de colorimétrie et parvient à décomposer le spectre de la lumière blanche.

Selon Newton, la lumière est interprétable de manière corpusculaire: les faisceaux lumineux qui se propagent dans l’éther sont une succession de grains de lumière dont la taille est reliée à la couleur.

Newton est également célèbre pour son observation des anneaux de Newton, bien qu’ils aient été en fait observés pour la première fois près de quarante ans auparavant par Robert Hooke. Le dispositif pour observer ses franges était constitué d’une lentille plan-convexe posée sur une surface plane (côté bombé sur le plan). Le phénomène n’est pas expliqué à son époque car Newton ne connaît pas la nature ondulatoire de la lumière, il admet néanmoins que l’épaisseur d’air joue un rôle déterminant dans de phénomène. Newton sait qu’il est possible d’interpréter la lumière en termes d’onde, mais il réfute cette interprétation car la lumière pourrait alors se diffuser, comme le son, et obtenir une ombre serait alors impossible. Ainsi, il explique le phénomène (qui est en fait un phénomène d’interférences) en supposant qu’il existe des chemins plus faciles que d’autre pour traverser le système: ainsi, certaines zones sont noires et d’autres sont brillantes.

太阳是地球上光的主要来源。太阳传递到地面的电磁波中，约有44%是在可见光的范围

光通常指的是人类眼睛可以见的电磁波（可见光谱），视知觉就是对于光的知觉。光只是电磁波谱上的某一段频谱，一般是定义为波长介于400至700奈米（nm）之间的电磁波，也就是波长比紫外线长，比红外线短的电磁波。有些数据源定义的可见光的波长范围也有不同，较窄的有介于420至680nm，较宽的有介于380至800nm。

而有些非可见光也可以被称为光，如紫外光、红外光、x光。

光既是一种高频的电磁波，又是一种由称为光子的基本粒子组成的粒子流。因此光同时具有粒子性与波动性，或者说光具有“波粒二象性”。

研究历史

光的本性问题很早就引起了人们的关注。 印度教和佛教的理论 早在公元前6至5世纪的古印度，数论派（Samkhya）和胜论派（Vaisheshika）的学者已形成了光的理论。数论派认为光是组成世间万物的五微尘（tanmatra，即“五唯”——香、味、色、触、声）之一。这五种元素的粒子性并没有被特别说明，并且似乎是被作为连续状态来理解的。 另一种观点来自胜论派，他们提出了一种原子理论，认为物理世界是由非原子的以太、时间和空间所构成。最基本的原子分别是土（prthivı），水（pani），火（agni）和空气（vayu），这里的意思和通常意义上的这几种物质并不等价。这些原子结合形成双原子分子，然后进一步结合以形成更大的分子。这些实物原子被视作是运动的，这种运动似乎还被理解为非瞬时性的。他们认为光线是高速的火（tejas）原子流。当火原子以不同速度运动、以不同形式组合时，光粒子可以展现不同的特征。在公元前一世纪左右的《毗湿奴往世书》（Vishnu Purana）里，阳光被称为“太阳的七辉线”。 印度佛教徒，比如五世纪的陈那菩萨（Dignāga）和七世纪的法称（Dharmakirti），发展出了一种原子论哲学，认为组成现实世界的原子实体其实是光或能量的瞬间流动。光被认为是和能量等同的原子整体，类似于现代光子概念，但是他们把所有物质都一概视作由这些光能粒子所构成。 希腊和泛希腊时期的理论 在公元前5世纪，恩培多克勒（Empedocles）提出假设，认为万物由火、空气、土、水四种元素构成。他相信人类的眼睛是阿佛洛狄忒（Aphrodite）以这四种元素所造，并且阿佛洛狄忒在人眼中燃炎，从而照亮外物形成视觉。但如果真是这样，那无论昼夜人都该有同等视力。对于这个问题，恩培多克勒假想了一种太阳光线和视线互感的机制来加以解释。 在公元前300年左右，欧几里得在著作《光学》（Optica）中写到了他对光性质的研究。欧几里得设想光线笔直传播，并用数学方法研究并阐述了反射定律。他质疑视觉产生于眼睛内发光的观点，因为它不能解释为什幺在夜晚眨一下眼睛后还能立刻看到星星，除非眼睛发出的光以极速传播。 在公元前55年，罗马人卢克莱修将早期希腊原子论者的观点进一步作了发扬，即使和之后的粒子理论相近似，卢克莱修的理论在当时并没有被广泛接受。他写道：“太阳的光和热都是由微小原子组成，发射后将没有损耗地穿过空气介质背离光源前进” ——《关于宇宙的本质》 物理学理论 勒内·笛卡儿（1596–1650）认为光是发光物的一种机械属性，这不同于海什木（Ibn al-Haytham）和威特罗（Witelo）的“形态”说，也不同于罗吉尔·培根，格罗斯泰斯特（Grosseteste）和开普勒的“种类”说。他在1637年发表的光折射理论中，类比声波的传播行为，错误地得出了光速和传播介质密度成正比的结论。虽然笛卡尔在相对速度上判断错误，但他正确地假设了光的波状性质，还成功地用不同介质下光速的差异解释了折射现象。虽然笛卡尔并不是第一个尝试用机械分析解释光的人，但他明确坚持光仅是发光体和传播介质的机械波性质，而因此使他的理论被视作现代物理光学的起点。 光微粒说 法国数学家皮埃尔·伽桑狄（Pierre Gassendi）提出了他的光粒子假设，他的这一假设在他死后发表，并且在艾萨克·牛顿早年引起了他的兴趣。牛顿本人倾向于笛卡尔的实空理论（plenum）。他在他1675年的《解释光属性的假说》（An Hypothesis explaining the Properties of Light）中提到，光是由光源向四面八方发射的微粒组成。牛顿反对光波动说的一个理由是，波会绕开障碍物，而光却是直线传播的。但对于格里马尔迪（Francesco Grimaldi）观察到的衍射现象，牛顿甚至也稍作妥协，解释为光粒子移动于以太所产生的局部波造成。 牛顿的理论和光的反射现象相吻合，但对于折射现象，牛顿错误地认为是因为进入高密度介质时所受引力更大使光加速而成的。牛顿在1704年发表了他集大成的《光学》一作。牛顿本人的权威使光的粒子理论在18世纪甚嚣尘上。但皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Laplace）反驳说，人的密度既然这幺大，那光几乎不可能逃脱人的引力了。用现在的说法，人将成为一个黑洞。 光波动说 在1660年代，罗伯特·胡克发表了他的光波动说。克里斯蒂安·惠更斯在1678年得出了他自己的波动学说，并在1690年发表在他的《光的专着》（Treatise on light）里。他认为光线在一个名为发光以太（Luminiferous ether）的介质中以波的形式四射，并且由于波并不受重力影响，他假设光会在进入高密度介质时减速。光波动说预言了1800年托马斯·杨发现的干涉现象以及光的偏振性。杨用衍射实验展现了光的波动性特征，还提出颜色是由光波波长不同所致，用眼睛的三色受体解释了色觉原理。 莱昂哈德·欧拉也是光波动说的支持者之一，他在《光和色彩的新理论》（Nova theoria lucis et colorum）中阐述了他的这一观点，他认为波理论更容易解释衍射现象。 之后，奥古斯丁·菲涅耳也独立完成了他的波动理论的创建，并于1817年上递给法国科学院。西莫恩·泊松完善了菲涅耳的数学证明，给了光粒子说致命一击。在1821年，菲涅耳使用数学方法使光的偏振在波动理论上得到了唯一解释。 但波动理论的弱点在于，波，类似于声波，传播需要介质。虽然曾有过发光以太的假想，但这也因为19世纪迈克耳孙－莫雷实验陷入了强烈的质疑。 牛顿推测光速在高密度下变高（而实际光速在高密度介质变低），惠更斯和其他人觉得正相反。但当时并没有准确测量光速的条件。1802年，托马斯·杨做实验发现，当光波从较低密度介质移动进入较高密度介质之后，光波的波长会变短，他因此推论光波的运动速度会降低。1850年，莱昂·傅科的实验得到了和波动理论同样的结果。 电磁理论 1845年，迈克尔·法拉第发现当偏振光穿过施加了磁场的透明介质时，会发生偏振旋转。这后来被称为法拉第效应，它首次发现了光和电磁的关系。在1846年，他推测光可能是沿磁场线衍生的某种形式的扰动。次年，法拉第提出光是一种高频电磁振动，不需要介质也能衍生。 法拉第的研究启发了詹姆斯·马克士威研究电磁辐射和光。麦克斯韦发现自生电磁波会以恒定速度传播，而且这个速度恰好等于光速。正是从这一点出发，麦克斯韦得出了光是一种电磁波的结论。20多年后，赫兹用实验证实了电磁波的存在，测得电磁波的传播速度的确与光速相同，同时电磁波也能够产生反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象，从实验中证明了光是一种电磁波。 粒子理论的新生 波动理论几乎在所有光学和电磁学的现象中得到了验证，这是19世纪物理学的一个重大成果。但到19世纪末期，有一些实验现象要不是无法解释，就是违反当时理论，其中一个争议即为光电效应。实验数据的结果指出，放出的电子能量与光线的频率成正比，而非强度。更特别的是，当光线小于某一个最小频率后，无论再加大强度，都不会产生感应电流，这现象似乎是违反了波理论。许多年来，物理学家们尝试寻找答案都无功而返，直到1905年爱因斯坦让粒子理论重回历史舞台。由于太多的实验现象为波动理论佐证，使得爱因斯坦的想法，在当时的物理学界受到了巨大质疑。然而爱因斯坦对光电效应的解释最终得到了认同，并开启了波粒二象性和量子力学两扇大门。

特性

反射线、入射线与法线在同一平面上。

反射线与入射线在法线的两侧。

反射角等于入射角：

光源

正在发光的物体叫做光源，而「正在」这个条件必须具备。光源可以是天然的或和人造的。

光谱

在光的产生过程中，因为跃迁能级的不同，释放出不同频率的光子（爱因斯坦能量方程）。而不同频率的光会有着不同的颜色。可见光范围内依次为赤橙黄绿蓝靛紫。白光为所有这些光谱的综合。如果用棱镜折射白光，就能够观察到上述可见光光谱。 既复色光（如白光）被色散系统（如棱镜）分类后，按波长的大小依次排列的图案。 后来，对光谱的研究就成了一门专业学科——光谱学。人们利用光谱来研究发光物体的性质。在现代，光谱学在宇宙的研究方面起着重要的作用。

光线

光是直线传播的。基于光线的光学，称为几何光学或线性光学（Beam Optics）。

光的应用

参阅

光学

透镜

电磁波

斯涅耳定律

衍射光栅

非线性光学

布儒斯特角

偏振光

光电效应

光子