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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Deuxième partie. Quelques aspects fondamentaux

5. Énergie et lumière

Jean-Michel Raimond et Serge Haroche

Texte intégral

Sous le Soleil, exactement…

1Que le Soleil nous réchauffe est une expérience quotidienne. C’est sa chaleur qui met l’atmosphère en circulation et qui entretient la biosphère. Chaque mètre carré reçoit, à l’équateur, 1,4 kW. Un hectare reçoit assez d’énergie pour alimenter une petite ville. Mais comment nous arrive cette fantastique quantité d’énergie ? Il n’y a rien (ou presque) entre nous et le Soleil, à 150 millions de kilomètres ; pas de gaz, pas de matière qui puisse véhiculer l’énergie par convection ou conduction.

2C’est bien sûr la lumière*, le rayonnement qui est le seul véhicule de cette énergie. Ses propriétés sont bien comprises depuis Maxwell, vers 1860. La lumière est une onde, comme les vagues à la surface de l’eau. Une onde de champs électriques et magnétiques, qui oscillent à des fréquences très élevées, et qui se propagent à la vitesse… de la lumière (300 000 km/s). Cette onde est mise en mouvement par l’agitation désordonnée des charges électriques de la surface visible du Soleil, à une température de 6 000 °C. Elle se propage jusqu’à nous en 8 minutes et met en mouvement des charges qui finissent par dissiper son énergie en chaleur.

3Quand on pense lumière, on pense surtout à la lumière visible. Chaque couleur de l’arc-en-ciel, du spectre solaire du rouge au violet, correspond à une fréquence* pour les ondes électromagnétiques. Les champs d’une onde jaune oscillent 5.1014 fois par seconde. Le visible s’étend sur près d’une octave : la longueur d’onde (la distance parcourue par l’onde en une période d’oscillation) varie entre 750 et 400 nm du rouge au violet. Mais le spectre solaire s’étend aussi à des fréquences plus basses et des longueurs d’onde plus grandes que celles du rouge (infrarouges et ondes radio) et à des fréquences plus hautes que celles du violet (ultraviolets A, B…, rayons X et gamma).

4L’émission thermique n’est pas réservée aux étoiles. Tous les corps émettent du rayonnement au-dessus du zéro absolu* (-273,15 °C). Le spectre de ce rayonnement est centré sur une fréquence d’autant plus basse que la température est basse. Le Soleil émet surtout du jaune. Un fer chauffé au « rouge », un filament de radiateur (1 000 °C), émettent de l’infrarouge proche. Un objet à la température ambiante émet surtout vers 10 µ m de longueur d’onde, environ 56 mW par cm2 de surface. C’est ce rayonnement « de corps noir » que détectent les caméras à vision nocturne, et celles qu’on utilise pour le diagnostic thermique de l’isolation des maisons ou pour la thermographie* (figure 1).

Lasers, énergie et information

5Le rayonnement thermique, produit par l’agitation désordonnée de charges, est lui aussi désordonné. Il contient toutes les fréquences, il ne véhicule aucune information. Il existe des formes beaucoup plus ordonnées de rayonnement. Dans le domaine des ondes radio, bien sûr, on sait produire des fréquences pures. Le four à microondes chauffe l’eau contenue dans les plats par une onde oscillant 2,5 milliards de fois par seconde.

Fig. 1 – Thermographie* infrarouge d’un visage. La caméra enregistre le rayonnement thermique entre 2 et 5 µm de longueur d’onde. Les zones les plus chaudes apparaissent en rouge, les plus froides en bleu. © CNRS Photothèque/Pierre GRECH

Fig. 2 – Amplificateur à fibre optique* dopée Erbium, utilisé dans les fibres transcontinentales pour régénérer optiquement les signaux infrarouges ayant perdu de l’intensité à cause des pertes résiduelles. Le vert est ici une lumière parasite provoquée par l’excitation des ions Erbium dans la fibre. © CNRS Photothèque/Jean-Louis AUGUSTE

6La forme ultime de rayonnement ordonné est le laser. En forçant des atomes à se mettre « au pas », à émettre tous de la même manière, on crée un faisceau de lumière directif, intense, dont la fréquence peut être déterminée à une fraction d’oscillation par seconde près. On peut aussi produire des impulsions fantastiquement brèves (quelques millionièmes de milliardième de seconde), ne comportant plus que quelques oscillations. Leurs champs atteignent des valeurs sans équivalent dans la nature.

7La directivité et l’intensité du faisceau laser permettent de chauffer, de souder, de découper sans contact, même les matériaux les plus réfractaires comme le diamant, ou les plus fragiles comme la rétine. Les impulsions brèves ionisent et compriment intensément la matière. On peut désormais envisager la réalisation future d’une fusion nucléaire utile. Mais, paradoxalement, les lasers peuvent aussi refroidir et ordonner la matière de manière ultime. C’est tout le domaine, très actif aujourd’hui en recherche fondamentale, des « atomes froids » et des « condensats de Bose-Einstein ».

8En plus d’énergie, ce rayonnement ordonné peut véhiculer de l’information. L’essentiel de l’information échangée dans le monde, téléphone, télévision, Internet, transite sous forme de courtes impulsions laser dans des fibres optiques* (figure 2). Les océans sont maillés de câbles, comprenant chacun des centaines de fibres, fines comme un cheveu, plus transparentes que l’air, dans lesquelles des paquets de lumière longs de quelques centimètres véhiculent une masse énorme d’information. Sans lumière, sans laser, notre société de l’information n’existerait pas.

Lumière quantique

9Les échanges d’énergie par la lumière sont aussi à l’origine de la plus grande révolution scientifique, l’avènement de la mécanique quantique au début du XXe siècle. En effet, l’électromagnétisme de Maxwell avec la thermodynamique conduit à des absurdités pour le spectre des corps chauffés, qu’il ne peut donc décrire.

10Planck et Einstein, en 1900-1905, ont apporté une réponse audacieuse. On comprend tout à condition d’admettre que l’énergie véhiculée par un rayonnement de fréquence v n’est pas continue. Elle vient en « grains », en « quanta » d’énergie hv, où h est la célèbre constante de Planck*. En un mot, la lumière est discontinue, composée de particules insécables appelées « photons ». Un photon jaune, par exemple, véhicule une énergie de 2 électron-volts, de l’ordre des énergies mises en jeu dans une molécule. C’est ce qui nous permet de voir, en transformant les photons en impulsions nerveuses.

11Mais enfin, la lumière est-elle une onde ou une particule ? La réponse surprenante vient du formalisme quantique, développé à Copenhague dans les années 1926-1930. Ni l’un ni l’autre, ou les deux à la fois. Tout dépend de la question qu’on lui pose ! Le plus surprenant est peut-être que les expériences les plus récentes d’optique quantique (optique au niveau du photon unique) confirment l’étrangeté du monde microscopique. Mais c’est une toute autre histoire…

Bibliographie

Références bibliographiques

• S. MARTRENCHARD-BARRA – Lumière Matière, CNRS Éditions, 2006.

• R. FEYNMAN – Lumière et Matière, une étrange histoire, Seuil, 1999.

• E. BIÉMONT – La lumière, PUF, 1996.

• E. DESURVIRE et J. CHESNOIY – Des millions de conversations dans une fibre optique, la Recherche N° 297, 1997.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Thermographie* infrarouge d’un visage. La caméra enregistre le rayonnement thermique entre 2 et 5 µm de longueur d’onde. Les zones les plus chaudes apparaissent en rouge, les plus froides en bleu. © CNRS Photothèque/Pierre GRECH
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Légende Fig. 2 – Amplificateur à fibre optique* dopée Erbium, utilisé dans les fibres transcontinentales pour régénérer optiquement les signaux infrarouges ayant perdu de l’intensité à cause des pertes résiduelles. Le vert est ici une lumière parasite provoquée par l’excitation des ions Erbium dans la fibre. © CNRS Photothèque/Jean-Louis AUGUSTE
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10920/img-2.jpg
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Auteurs

Physicien Professeur des Universités, Université Pierre et Marie Curie, Membre honoraire de l’Institut Universitaire de France, Paris.
jmr@lkb.ens.fr

Physicien, Professeur au Collège de France, Prix Nobel de Physique 2012, Membre de l’Institut, Paris.
haroche@physique.ens.fr

© CNRS Éditions, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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