belle-lumiere

Comment se fait-il, ai-je demandé à Moïse, que la lumière soit une source d'énergie si utile?

"Parce que vous pouvez compresser beaucoup d'énergie lumineuse en un très petit point", a-t-il déclaré. Les enfants, a-t-il noté, découvrent cela lorsqu'ils jouent avec une loupe par une journée d'été ensoleillée.

Nous arrivons ici à une facette du miracle de la lumière. Il n'a pas de volume. Et les photons n'ont pas de charge, donc en cours de concentration dans un très petit espace, ils ne se repoussent pas comme le font les électrons chargés négativement. (NIF adaptera 4 x 1024 photons dans la capsule cible.) "Ils ne se dérangent pas" est la façon dont Moïse le dit.

Combien d'anges de lumière peuvent danser sur la tête d'une épingle? En théorie, un nombre infini.

Aussi difficile qu'il soit de comprendre la lumière, les anciens l'avaient d'autant plus difficile. Faute d'instruments scientifiques, ils ne pouvaient sonder la nature de la lumière qu'avec leur esprit inventif. «La lumière est l'activité de ce qui est transparent», était l'une des déclarations plutôt opaques d'Aristote. Cette transparence était une propriété essentielle de diverses substances; lorsqu'il est activé par le soleil ou le feu, il produit de la lumière et de la couleur.

Le philosophe et poète Empédocle du Ve siècle av.J.-C. avait la brillante intuition que la lumière est une substance ruisselante émise par le soleil et que nous ne sommes pas conscients de son mouvement parce qu'il se déplace trop vite. Mais il a également souscrit à la notion de «feu dans l'œil», comparant les yeux à des lanternes. De nombreux Grecs, dont Platon et Euclide, partageaient cette conviction que les yeux produisent une sorte de rayon visuel. Cela expliquait le fait curieux que parfois nous regardons dans la direction d'un objet sans le remarquer immédiatement. Le rayon, a-t-on supposé, doit frapper l'objet directement avant de pouvoir être vu. Aristote faisait partie de ceux qui ont souligné que si c'était vrai, nous pourrions voir dans le noir.

Il y a mille ans, le scientifique arabe Alhazen a soutenu que la douleur que nous ressentons lorsque nous regardons le soleil est la preuve que la lumière pénètre dans l'œil et non l'inverse. Des siècles plus tard, Léonard de Vinci s'est rendu compte que l'œil s'apparente à la camera obscura, lancée par Alhazen, dans laquelle la lumière passe à travers un trou d'épingle dans une pièce sombre et projette une image inversée du monde extérieur sur un mur. Descartes fit plus tard un examen assez dramatique du globe oculaire d'un bœuf, en raclant l'arrière de l'œil et en le scrutant. Il a vu que l'œil saisit une image inversée et à l'envers du monde. Pourquoi le monde n'a-t-il pas l'air à l'envers? Parce que notre esprit corrige l'image. La vue a un élément à la fois physique et psychologique.

La lumière passa bientôt par le laboratoire d'Isaac Newton et ne se ressembla plus jamais. Dans les années 1660, Newton a démontré que la lumière blanche est composée de toutes les couleurs du spectre. À l'aide d'un prisme, il a divisé la lumière du soleil en un arc-en-ciel, puis a utilisé plus tard un deuxième prisme pour ramener les couleurs à la lumière blanche.

«Quelle que soit la lumière», dit-il à la Royal Society en 1675, «je suppose qu'il se compose de rayons successifs différant les uns des autres dans des circonstances contingentes, comme la grandeur, les formes ou la vigueur, comme les Sands on the Shoar, les Waves de la mer, des visages des hommes et de toutes les autres choses naturelles. "

Newton croyait que la lumière était particulaire - "des multitudes de corpuscules inimaginables petits et rapides de différentes tailles, jaillissant de corps brillants à de grandes distances les uns après les autres." Newton était un tel géant dans le paysage scientifique que ses rivaux n'avaient guère de chance de pousser la théorie selon laquelle la lumière est une onde. La théorie des vagues n'a commencé à rebondir que lorsque les titans de la science du XIXe siècle ont rejoint la bataille pour comprendre la lumière et se sont massivement rabattus du côté des vagues. C'est James Clerk Maxwell, un Écossais, qui, dans les années 1860, a fait l'une des percées les plus importantes. Il avait étudié l'électricité et le magnétisme et s'était rendu compte qu'ils se propageaient dans l'espace à - coïncidence - la vitesse de la lumière. La lumière, conclut-il, est une onde «électromagnétique».

Le débat particule contre onde s'est soldé par une sorte de trêve, régie par la mécanique quantique: la lumière est produite par les changements du niveau d'énergie des électrons. La lumière se déplace dans l'espace comme une onde, mais lorsqu'elle rencontre de la matière, elle se comporte comme une particule. Cela ne rentre tout simplement pas dans l'une de nos petites catégories. «La lumière, en effet, est différente de tout ce que nous connaissons», écrit Sidney Perkowitz, physicien à l'Université Emory et auteur d' Empire of Light . L'ère d'incertitude permanente a commencé en 1900, lorsque les expériences de Max Planck avec le rayonnement thermique impliquaient que la lumière martelait la matière en morceaux discrets - quanta, il les appelait - comme les balles d'une mitrailleuse. Cela semblait contraire aux équations de Maxwell, et Planck hésitait à le croire.

Entre Albert Einstein. Il est de notoriété publique qu'Einstein, en promulguant la théorie spéciale de la relativité, a détruit l'univers newtonien mécanique et déterministe. Il a réalisé cette percée théorique en pensant… oui, à la lumière. Einstein a fait des "expériences de pensée", et dans une il a demandé ce qui se passerait si vous pouviez monter un faisceau de lumière et regarder un faisceau adjacent. Le faisceau lumineux adjacent n'apparaîtrait-il pas immobile? Les équations de Maxwell ne semblaient pas permettre à la lumière de ralentir ou de s'arrêter lorsqu'elle se déplaçait dans l'espace. La réponse d'Einstein - que la vitesse de la lumière est constante pour tous les observateurs indépendamment de leur propre vitesse - a effacé la conception classique de l'espace et du temps.

Les bases ont été jetées pour Einstein par une expérience célèbre en 1887 par les scientifiques américains Albert Michelson et Edward Morley. La Terre, selon l'orthodoxie de l'époque, se déplaçait à travers un éther fixe qui remplissait l'espace. Personne n'avait jamais détecté cet éther, mais le bon sens exigeait son existence. Michelson et Morley ont entrepris de le détecter en mesurant la vitesse de la lumière lorsque les faisceaux lumineux se déplaçaient avec et perpendiculairement au mouvement de la Terre. Ils s'attendaient à ce que la lumière montre les effets du «courant» de cet éther alors que la Terre avançait. Ça ne l'a pas fait. La vitesse de la lumière était la même quelle que soit sa direction. Les scientifiques, dont Michelson et Morley, étaient consternés et espéraient que les résultats étaient tout simplement faux. Einstein les a acceptés. Il n'y a pas d'éther, dit-il. Il n'y a pas d'emplacement absolu dans l'espace. Il n'y a pas

J'avoue que la relativité me fait tourner la tête. Un faisceau de lumière provenant du phare d'une locomotive pour excès de vitesse devrait se déplacer plus rapidement - dit le bon sens - que le faisceau d'une lampe de poche fixe. Ce n'est pas le cas. Et personne ne peut y faire rien.

La relativité d'Einstein présente toutes sortes d'implications époustouflantes. Il révèle qu'à mesure que les objets approchent de la vitesse de la lumière, le temps ralentit. À la vitesse de la lumière elle-même, le temps s'arrête.

Ce fait peut nous aider à réfléchir aux voyages effectués par la lumière des étoiles, la lumière des galaxies et la lumière du quasar à travers les distances cosmiques. Nous utilisons le terme année-lumière pour exprimer une unité de distance (environ six mille milliards de miles [9,7 billions de kilomètres]). Mais si vous étiez la lumière elle-même - si vous pouviez être le photon - vous n'auriez pas de temps. Ce long voyage serait instantané.

Ce que nous appelons la lumière est en réalité la même chose - dans un ensemble différent de longueurs d'onde - que le rayonnement que nous appelons ondes radio ou rayons gamma ou rayons X. Mais dans la pratique, les scientifiques utilisent souvent le terme «lumière» pour désigner la partie du spectre électromagnétique au voisinage de la lumière visible. La lumière visible ne ressemble à aucun autre élément fondamental de l'univers: elle interagit directement, régulièrement et de façon spectaculaire avec nos sens.

Nos yeux ont chacun environ 125 millions de bâtonnets et de cônes - des cellules spécialisées si sensibles que certains peuvent détecter une poignée de photons. «Environ un cinquième de votre cerveau ne fait rien d'autre qu'essayer de gérer le monde visuel qui vous entoure», déclare Sidney Perkowitz. La position des yeux, semi-protégés dans le cas du crâne proche du cerveau, témoigne de l'importance des données visuelles.

Artcile Crée PAR JOEL ACHENBACH ,

REPUBLIÉ À PARTIR DES PAGES DU MAGAZINE NATIONAL GEOGRAPHIC