La question de savoir comment la lumière voyage dans l'espace est l'un des mystères éternels de la physique. Dans les explications modernes, c'est un phénomène d'onde qui n'a pas besoin d'un support pour se propager. Selon la théorie quantique, il se comporte également comme une collection de particules dans certaines circonstances. Pour la plupart des buts 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, écossais Le physicien James Clerk Maxwell a établi que la lumière est une forme d'énergie électromagnétique qui se déplace dans les vagues. La question de savoir comment il parvient à le faire en l'absence de milieu s'explique par la nature des vibrations électromagnétiques. Quand 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 média, à l'exception du champ électromagnétique qui imprègne l'univers, n'est requis pour les conduire.

Un rayon de lumière

Quand une source électromagnétique génère de la lumière, la lumière se déplace vers l'extérieur comme une série de sphères concentriques espacées en fonction de la vibration de la source. La lumière prend 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 ces lignes qui passent 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 l'éclatement 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, c'est toujours 299 792 kilomètres par seconde (186, 282 milles par seconde), une valeur désignée par la lettre «c». Selon la théorie de la relativité d'Einstein, rien dans l'univers ne voyage plus vite que cela.

La réfraction et les arcs-en-ciel

La lumière se déplace plus lentement dans un milieu que dans le vide la densité du milieu. Cette variation de vitesse fait plier la lumière à l'interface de deux médias - 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 courbe selon un angle différent, et le résultat est un arc-en-ciel.