La question de savoir comment la lumière voyage dans l'espace est l'un des mystères éternels de la physique. Dans les explications modernes, il s'agit d'un phénomène ondulatoire qui n'a pas besoin de support pour se propager. Selon la théorie quantique, il se comporte également comme un ensemble de particules dans certaines circonstances. Pour la plupart des objectifs macroscopiques, cependant, son comportement peut être décrit en le traitant comme une onde et en appliquant les principes de la mécanique ondulatoire pour décrire son mouvement.
Vibrations électromagnétiques
Au milieu des années 1800, le physicien écossais James Clerk Maxwell a établi que la lumière est une forme d'énergie électromagnétique qui se déplace par ondes. La question de savoir comment il parvient à le faire en l'absence de milieu s'explique par la nature des vibrations électromagnétiques. Lorsqu'une particule chargée vibre, elle produit une vibration électrique qui induit automatiquement une vibration magnétique - les physiciens visualisent souvent ces vibrations se produisant dans des plans perpendiculaires. Les oscillations appariées se propagent vers l'extérieur à partir de la source; aucun support, à l'exception du champ électromagnétique qui imprègne l'univers, n'est requis pour les conduire.
Un rayon de lumière
Lorsqu'une source électromagnétique génère de la lumière, la lumière se déplace vers l'extérieur sous la forme d'une série de sphères concentriques espacées en fonction de la vibration de la source. La lumière emprunte toujours le chemin le plus court entre une source et une destination. Une ligne tracée de la source à la destination, perpendiculaire aux fronts d'onde, s'appelle un rayon. Loin de la source, les fronts d'onde sphériques dégénèrent en une série de lignes parallèles se déplaçant dans la direction du rayon. Leur espacement définit la longueur d'onde de la lumière, et le nombre de telles lignes qui passent à un point donné dans une unité de temps donnée définit la fréquence.
La vitesse de la lumière
La fréquence avec laquelle une source lumineuse vibre détermine la fréquence - et la longueur d'onde - du rayonnement résultant. Cela affecte directement l'énergie du paquet d'ondes - ou de la salve d'ondes se déplaçant comme une unité - selon une relation établie par le physicien Max Planck au début des années 1900. Si la lumière est visible, la fréquence de vibration détermine la couleur. Cependant, la vitesse de la lumière n'est pas affectée par la fréquence vibratoire. Dans le vide, il est toujours de 299 792 kilomètres par seconde (186 282 miles par seconde), une valeur notée par la lettre "c." Selon la théorie de la relativité d'Einstein, rien dans l'univers ne voyage plus vite que cette.
Réfraction et arcs-en-ciel
La lumière voyage plus lentement dans un milieu que dans le vide, et la vitesse est proportionnelle à la densité du milieu. Cette variation de vitesse provoque une courbure de la lumière à l'interface de deux milieux - un phénomène appelé réfraction. L'angle auquel il se plie dépend des densités des deux milieux et de la longueur d'onde de la lumière incidente. Lorsque la lumière incidente sur un milieu transparent est composée de fronts d'onde de différentes longueurs d'onde, chaque front d'onde se plie à un angle différent, et le résultat est un arc-en-ciel.