Ce que l'on voit

Vous êtes vous jamais posé la question suivante: par quel miracle peut-on voir ? Tous les phénomènes qui amènent l'ensemble yeux + cerveau à décoder de l'information en provenance du milieu environnant, sans contact direct, sont vraiment fascinants. Que ce soit la récupération des informations, la quantité des informations impliquées, la vitesse de traitement du cerveau et l'interprétation qui est faite par la suite, on ne peut que s'émerveiller devant le sens de la vision. Et encore, comparé à certains autres animaux, les capacités des humains semblent bien piètres.

Alors tout d'abord les précautions d'usage: je ne suis pas biologiste. Je ne vais donc pas beaucoup parler d'anatomie des yeux, ni des processus neuronaux impliqués dans la reconnaissance des objets. Je ne m'intéresse ici qu'aux phénomènes physiques. Mais il y a déjà pas mal de choses à raconter !

Quand on parle de lumière, on a souvent en tête le spectre visible. Mais qu'est-ce que c'est que ces histoires de spectres ? Et pourquoi parler de lumière "visible" ? Si on utilise le terme "visible", c'est parce qu'il n'y a qu'une infime partie du spectre électromagnétique concerné par les ondes que l'on peut percevoir. Et plutôt que de faire un cours sur les ondes électromagnétiques, je vais donner des exemples d'ondes que l'on manipule tous les jours, mais qui ne sont pourtant pas visibles: les ondes radio par exemple. Les ondes permettant de transmettre la télé (on y revient avec la TNT). Les transmissions satellite, le radar, les ondes utilisées pour les téléphones mobiles, qui ont la particularité d'être très proches de celles utilisées pour le wifi et les fours à micro-ondes. Quand je dis "proches" c'est en terme d'énergie. Vous trouverez également le terme de longueur d'onde, ou de fréquence. Les trois sont (presque) équivalents, car la vitesse de transmission de la lumière est une constante: elle ne dépend pas de la longueur d'onde.

Ce que l'on voit

Quelques éclaircissements sont peut-être nécessaires à ce stade là: la longueur d'onde, c'est la distance (en mètres) entre deux fronts d'onde. La fréquence, c'est le nombre de fronts d'onde qui passent en un endroit par seconde (on parle de Hertz, nombre de cycles par seconde). Si vous avez du mal avec les ondes électromagnétiques, pensez à des vagues. Mais des vagues théoriques dans un premier temps: imaginez un ensemble de vagues qui ont toutes la même hauteur, la même vitesse de déplacement, et espacées de la même distance. La distance entre les vagues, c'est la longueur d'onde. Comme elles se déplacent à vitesse constante (V), elles parcourent une distance VxT en un temps T donné. Si L est la longueur d'onde, le nombre de vagues passant en un endroit donné pendant la durée T est donc VxT/L. Si on applique à la lumière, V=C, et donc le nombre d'ondes passant en un endroit de l'espace par seconde (T=1) est F=C/L: ça c'est la fréquence. On sent bien intuitivement qu'un baigneur qui, cherchant à entrer dans l'eau, doit affronter les vagues arrivant sur lui, va être plus vite fatigué si la fréquence des vagues est plus importante: c'est parce que chaque vague va le repousser (= lui fournir une quantité d'énergie) et en retour il devra fournir la même quantité d'énergie ne serait-ce que pour rester immobile. On voit donc que, même à vitesse constante, l'énergie totale reçue est liée à la fréquence, donc à la longueur d'onde. Et bien c'est exactement la même chose pour les ondes électromagnétiques, sauf qu'il ne s'agit plus dans ce cas d'une variation du niveau de l'eau, mais du niveau du champ électrique et du champ magnétique associé.

Ce que l'on voit

Pour les micro-ondes, la fréquence typique est de 2.4 Ghz, ce qui veut dire qu'il y a 2.4 milliards d'oscillations par seconde. D'après F=C/L on voit que plus la longueur d'onde est courte, et plus la fréquence est importante. L'énergie transportée par les "photons" est, elle, proportionnelle à la fréquence: plus la fréquence d'un rayonnement est importante, et plus l'énergie reçue sera importante. Pour le visible, la plage de longueur d'onde se situe entre 390 et 750 nanomètres, ce qui correspond à des fréquences situées entre 440 et 770 THz (milliers de milliards d'oscillations par seconde). Oui, ça commence à faire. A ce niveau là, les photons disposent d'assez d'énergie pour aller briser menu nos brins d'ADN si on reste exposés trop longtemps à une forte intensité lumineuse. Heureusement, on a tout ce qu'il faut en termes de mécanismes de réparation pour recoller les morceaux... jusqu'à un certain point. On peut aller plus loin dans le spectre énergétique: au-delà du visible, viennent les rayonnement ionisants. Les rayons X correspondent à des longueurs d'onde aussi petites que 10 picomètres. Ces énergies sont produites par des transitions d'électrons, et peuvent être produites lors de processus de désintégration nucléaires. Ensuite viennent les rayons gamma. On désigne par ce terme tout ce qui a une longueur d'onde plus petite que 10 picomètres. Il faut des processus encore plus énergétiques pour causer de telles émissions, comme des collisions électron-atome, ce que l'on ne rencontre que lors des événements les plus violents, comme par exemple les supernova, les sursauts gamma, les jets relativistes émis par les tours noirs.

Ce que l'on voit

Revenons à notre plage du visible. Si je parle de longueur d'onde, c'est parce que nos yeux sont sensibles à certaines longueurs d'onde (je disais entre 390 et 750 nanomètres, la plage varie selon les sources). Et nous, nous interprétons cette information en termes de couleur: le bleu est le plus énergétique, juste en dessous de 400 nanomètres. A l'autre bout, le rouge est le rayonnement visible le moins énergétique, au-delà de 700 nanomètres. Nous possédons trois types de récepteurs photosensibles (rouge, vert, bleu). C'est peu par-rapport à d'autres organismes, comme par exemple le champion en la matière, la crevette-mante (shrimp-mantis, squille en bon français) qui possède 16 types de récepteurs aux couleurs; en plus de certains superpouvoirs ! A l'inverse d'autres animaux en possèdent moins que nous, comme les chiens, et ne s'en portent pas plus mal.

Ce que l'on voit

Là où je trouve que la nature a fait très fort lorsque les organes de la vision ont été développés, c'est dans la capacité à percevoir des images. Si on expose une surface (comme une cellule photo-sensible de la rétine) en toute logique, cette cellule doit percevoir le flux lumineux en provenance de tout un hémisphère. Prenez la surface de l'écran que vous êtes en train de regarder: si vous le faites pivoter, vous pouvez tout de même voir ce qu'il y a à l'écran. Ca veut dire que la surface émet, et donc reçoit, de la lumière dans toutes les directions sur une demi-sphère. Si les cellules de nos yeux fonctionnaient sur ce principe, chacune recevrait de l'information en provenance de tout l'espace situé devant nous. Or ce n'est pas du tout ce qui se passe: nous voyons des images ! Des images claires, avec une excellente résolution angulaire. Nous pouvons percevoir des détails de forme et de texture incroyables. Ce qui veut dire que chaque cellule ne perçoit pas de l'information en provenance de tout l'espace. Au contraire, chaque cellule reçoit de la lumière dans un angle très restreint, quasiment dans une direction unique. C'est ainsi que notre cerveau peut reconstruire des images... et c'est à partir de la compréhension de ce phénomène que l'on peut calculer des images de synthèse.

En physique, on a donné un nom à cette information directionnelle: la luminance (intensity en anglais). Il s'agit ni plus ni moins du nombre de photons qui passent en un point donné, en provenance d'une direction précise, par unité de temps. Et c'est exactement la quantité mesurée par les photographes (avec leur petite cellule photo-sensible accrochée au cou). C'est la même quantité mesurée par nos appareils photo numériques, ou encore par les yeux. Si je parle de ça, c'est bien sûr parce que je prévois une suite d'articles relatifs aux phénomènes lumineux qui nous entourent, et au transfert d'énergie par rayonnement. La grandeur de base, c'est celle luminance. On peut parler d'éclairement directionnel. A partir de la compréhension de cette grandeur, on va pouvoir expliciter bien des choses.

Vincent Eymet

Ancien chercheur en énergétique / transfert radiatif (climatologie, astrophysique, aéronautique). Maintenant directeur de la recherche chez Méso-Star (meso-star.com)

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