Des étoiles les plus lointaines du ciel jusqu’à l’écran devant votre visage, la lumière est partout. Mais la nature exacte de la lumière et la manière dont elle se propage ont longtemps intrigué les scientifiques. Une question en particulier a irrité les penseurs, d’Issac Newton à Albert Einstein : la lumière est-elle une particule ou une onde ?
« La question de savoir si la lumière est une particule ou une onde est une très vieille question » Riccardo Sapienzaphysicien à l’Imperial College de Londres, a déclaré à Live Science. En tant qu’espèce, nous semblons déterminés à comprendre la nature fondamentale du monde qui nous entoure, et cette énigme particulière a occupé les scientifiques du XIXe siècle.
Aujourd’hui, la réponse ne fait aucun doute : la lumière est à la fois une particule et une onde. Mais comment les scientifiques sont-ils parvenus à cette conclusion hallucinante ?
Le point de départ était de faire une distinction scientifique entre les ondes et les particules. « Vous décririez un objet comme une particule si vous pouviez l’identifier comme un point dans l’espace », a déclaré Sapienza. « Une onde est un objet que vous ne définissez pas comme un point dans l’espace et vous devez donner une fréquence d’oscillation et une distance entre le maximum et le minimum. »
La première preuve concluante de la nature ondulatoire de la lumière est apparue en 1801, lorsque Thomas Young a réalisé sa désormais célèbre expérience à double fente. Il a placé un écran à deux trous devant une source lumineuse et a observé le comportement de la lumière après son passage à travers les fentes. La lumière frappant le mur montrait un motif complexe de bandes lumineuses et sombres, appelées franges d’interférence.
Lorsque les ondes lumineuses traversaient chaque trou, elles généraient des ondes partielles qui rayonnaient de manière sphérique, s’interceptant les unes les autres et ajoutant ou soustrayant à l’intensité finale.
« Si la lumière était une particule, vous vous seriez retrouvé avec deux paquets de l’autre côté de l’écran », a déclaré Sapienza. « Mais nous avons des interférences et nous voyons de la lumière partout après l’écran, pas seulement à l’emplacement des trous. C’est la preuve que la lumière est bien une onde. »
Quatre-vingt-six ans plus tard, Heinrich Hertz fut le premier à démontrer la nature particulaire de la lumière. Il a remarqué que lorsque la lumière ultraviolette brillait sur une surface métallique, elle générait une charge – un phénomène appelé effet photoélectrique. Cependant, la signification de son observation n’a été pleinement comprise que plusieurs années plus tard.
Les atomes contiennent des électrons à des niveaux d’énergie fixes. On s’attend donc à ce que la lumière projetée sur eux donne de l’énergie aux électrons et leur permette de s’échapper de l’atome, une lumière plus brillante libérant les électrons plus rapidement. Mais dans les expériences qui ont suivi les travaux de Hertz, plusieurs observations inhabituelles ont semblé contredire complètement cette compréhension classique de la physique.
C’était Einstein qui a finalement résolu cette énigme, pour laquelle il a reçu un Prix Nobel en 1921. Plutôt que d’absorber continuellement la lumière d’une onde, les atomes reçoivent en réalité de l’énergie sous forme de paquets de lumière appelés photons, ce qui explique des observations étranges telles que l’existence d’une fréquence de coupure.
Mais qu’est-ce qui détermine si la lumière se comporte comme une onde ou comme une particule ? Selon Sapienza, ce n’est pas la bonne question à se poser. « La lumière n’est pas tantôt une particule, tantôt une onde », a-t-il déclaré. « C’est toujours à la fois une onde et une particule. C’est juste que nous mettons en évidence une des propriétés en fonction de l’expérience que nous faisons. »
Dans la vie de tous les jours, nous percevons principalement la lumière comme une onde, et c’est cette forme que les physiciens trouvent la plus utile à manipuler.
« Il existe un domaine complet appelé métamatériaux : en façonnant un matériau ayant les mêmes caractéristiques que la lumière, nous pouvons améliorer l’interaction de la lumière avec le matériau et contrôler les ondes », a déclaré Sapienza. « Par exemple, nous pouvons fabriquer des absorbeurs solaires capables d’absorber la lumière plus efficacement pour la génération d’énergie ou les sondes IRM en métamatériaux qui sont beaucoup plus efficaces.
Cependant, la double nature de la lumière, connue sous le nom de dualité onde-particule, est absolument fondamentale pour l’existence du monde tel que nous le connaissons. Cet étrange comportement de jumelage s’étend également à d’autres particules quantiques, comme les électrons.
« Vous ne pourriez pas avoir un atome stable si vous n’aviez pas mécanique quantique avec les électrons dans des états spécifiques », a déclaré Sapienza. « Si vous supprimez le fait qu’il s’agit d’une particule, vous supprimez le fait qu’elle a une énergie spécifique et que la vie ne pourrait pas exister. »
