Comme toute entité matérielle, la lumière affecte les objets du monde environnant, par exemple en exerçant une pression. Mais comment, puisqu’un photon est une particule sans masse ? Quelle est l’essence physique de la pression de la lumière et, en général, de tout rayonnement électromagnétique ? Examinons plus en détail cette question et d’autres liées à la pression de la lumière.
Table des matières
L’essence du phénomène
Bien qu’un photon n’ait pas de masse au repos, il possède de l’énergie et donc de la quantité de mouvement. Il est logique de penser qu’en transmettant cette impulsion aux objets, la lumière peut exercer une pression sur eux. Mais il faut tout de suite noter que sur les corps massifs, cette pression est négligeable et qu’il est donc difficile d’enregistrer le phénomène.
L’essence physique de la pression lumineuse peut être déduite à la fois de l’approche corpusculaire et de l’approche ondulatoire de la nature de la lumière. Ainsi, si nous considérons la lumière comme un flux de particules, la pression peut s’expliquer par le fait que les photons qui frappent la surface du corps lui transfèrent une partie de son élan et exercent ainsi une pression. Selon l’approche ondulatoire, l’onde électromagnétique affecte les particules chargées d’un corps et, en se réfléchissant, leur transfère une partie de son énergie. Le résultat est le même.
C’est sur la base de ces deux chaînes logiques qu’au tournant des XIXe et XXe siècles, les physiciens ont commencé à étudier activement la pression de la lumière sur la surface, à faire des expériences et à mener des expériences.
L’étude et la découverte de la pression de la lumière
Johannes Kepler a été le premier à suggérer l’existence de la pression de la lumière au milieu du 17e siècle. Cependant, en raison de l’imprécision des instruments de l’époque, il n’a pas été possible de détecter expérimentalement le phénomène.
Explication de la pression lumineuse en termes de théorie quantique
Afin d’éliminer les effets des forces élastiques de l’air, les expérimentateurs ont réalisé qu’ils devaient atteindre la pression de gaz la plus basse possible. Il y a cent ans, il n’était pas encore possible de faire le vide, mais le physicien russe Pyotr Nikolayevich Lebedev a été le premier à penser à pomper l’air des chambres pour cette expérience.
Il a suspendu des échelles de torsion à une fine corde métallique dans une chambre à très faible pression atmosphérique. À chaque bol était fixée rigidement une plaque de métal miroir ou de mica. Cette construction, Lebedev l’a irradiée alternativement avec de la lumière d’un côté ou de l’autre. L’expérience a permis d’obtenir des résultats conformes à la théorie de l’électromagnétisme de Maxwell, mais l’erreur était de l’ordre de 15 à 20 %. Mais 8 ans plus tard, Lebedev a pu répéter l’expérience et obtenir un écart de 0,5 % par rapport à la théorie. Le phénomène a été officiellement découvert.
Calculs et formule
La formule la plus simple pour la pression de la lumière est la suivante :
Ici, p est la pression de lumière souhaitée, l est l’intensité du rayonnement, c est la vitesse de propagation des ondes lumineuses dans le vide, k est l’indice de transmission, p est l’indice de réflexion. Ainsi, on constate que plus la réflexion de la lumière est grande — plus la pression est grande, et inversement, plus la transmittance est grande — plus la pression de la lumière est faible. Cette connaissance nous sera utile par la suite.
Cette formule s’applique à toute surface sur laquelle la lumière tombe de manière strictement perpendiculaire. Par exemple, elle peut être utilisée pour calculer que la pression de la lumière du Soleil sur une surface proche de la Terre, si la lumière tombe sans angle, sera égale à 9 x 10-¹¹¹ atmosphères.
Dans les cas plus complexes, lorsque la lumière est en partie diffusée et en partie réfléchie, la formule suivante permet de calculer la pression :
K est le facteur de transmission, A est l’albédo de l’astre.
Applications pratiques
Au tout début du XXe siècle, dès que Lebedev a découvert la pression des ondes lumineuses, on a activement discuté de l’application pratique de ce phénomène. De nombreux esprits de l’époque, en particulier le constructeur de fusées Zander, ont proposé d’utiliser la pression de la lumière dans les vols interplanétaires et l’astronautique.
L’idée était la suivante : la pression de la lumière ne nécessitant pas d’énergie externe (carburant), l’espace étant rempli de photons et de vide, il n’y a pas de résistance de l’air, elle devrait être utilisée pour la construction de vaisseaux spatiaux. Le problème est que les chiffres de pression sont très petits et que le poids à «déplacer» est important.
Des chercheurs se sont penchés sur ces deux problèmes et ont proposé comme solution un prototype de voile solaire. L’idée est d’utiliser une grande surface réfléchissante tout en la rendant ultra-légère. La première solution a été proposée par le Japon — l’appareil IKAROS a été développé, dont la voile a une surface de 196 mètres carrés, avec un côté de 14 mètres, l’épaisseur de la voile n’étant que de 7 microns. Il est destiné à l’exploration de Vénus et a déjà rempli sa mission avec succès.
Le développement ultérieur de la technologie des voiles spatiales comprend la modification en une voile dite laser, où le véhicule est guidé par un puissant laser. En outre, de nouveaux matériaux sont en cours de développement pour créer des surfaces réfléchissantes encore plus fines et plus résistantes, comme le graphène.
Outre l’astronautique, le phénomène de pression de la lumière est utilisé en physique des particules élémentaires pour accélérer de très petites surfaces réfléchissantes à des vitesses inférieures à la lumière.
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Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023