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Qu’est-ce que la réfraction de la lumière ?

dimanche 29 novembre 2015, par Robert Paris

L’image d’un objet réfractée

Reproduction d’un manuscrit de Ibn Sahl contenant sa découverte des lois de la réfraction.

Réfraction par Roger Bacon

Réfraction par Descartes

Descartes : « La balle souffre de réfraction quand elle entre obliquement dans l’eau. »

Réfraction, le point de vue ondulatoire

Réfraction pour Feynman

Loi mathématique de la réfraction

Qu’est-ce que la réfraction de la lumière ?

Si on veut répondre très brièvement à cette question, il suffit de dire que la lumière est un déplacement plus lent dans les milieux les plus denses et ce changement de vitesse ne change pas la fréquence de la lumière mais change sa longueur d’onde.

La réfraction est un changement d’angle du parcours lumineux au passage d’un milieu matériel dans un autre. Il suffit de regarder un bâton qui est plongé dans une surface liquide pour voir qu’il apparaît cassé, les rayons ne suivant plus la ligne droite à la transition liquide/air, entre les deux milieux transparents. La réfraction entraine un changement de direction de parcours lumineux et une déformation des images des objets vus au passage d’une transition entre deux milieux.

Si la lumière pénètre un nouveau milieu en traversant perpendiculairement à la surface de transition, le passage d’un milieu dans un autre est insensible, le parcours n’étant pas modifié. Par contre, si la traversée se fait avec un angle d’incidence par rapport à la surface de séparation des deux milieux, la direction du parcours va être modifiée avec un angle de réfraction différent de l’angle d’incidence.

Tout d’abord remarquons que la réfraction fait partie des ces phénomènes physiques que chacun a pu examiner à loisir dans son expérience personnelle et quotidienne et qui pourtant posent des problèmes fondamentaux relatifs à la nature de la lumière et de la matière, ainsi qu’à leur interaction.

Il convient d’ailleurs de remarquer que la réfraction de la lumière au passage d’un milieu transparent à un autre provient de l’interaction matière/lumière. La matière n’est pas toujours transparente : il arrive qu’elle absorbe la lumière ou qu’elle la réfléchisse. Mais lorsqu’elle la laisse passer, elle ne le fait pas passivement : elle interagit. Lorsque le milieu transparent est homogène, cela ne se remarque pas car la symétrie de l’interaction amène une apparence de mouvement lumineux inchangé mais c’est justement au passage d’un milieu transparent dans un autre milieu transparent, lorsque l’interaction avec le milieu est modifiée, que le changement du parcours, l’inflexion de l’angle du mouvement, nous indique que la lumière interagissait avec la matière.

Il y a plusieurs sortes d’interactions matière/lumière. Il y a l’absorption, l’émission, la déformation de trajectoire (effet relativiste), la diffusion. Le type d’interaction dont dépend la réfraction est la diffusion. Dans la diffusion de la lumière par la matière, il n’y a pas absorption. Tout ce passe comme si la lumière rebondissait sur la matière en l’approchant sans la toucher. Cela peut entraîner différents phénomènes comme la diffraction, la dipersion ou la réfraction.

On se souvient que les interactions matière/lumière peuvent aussi bien manifester des apparences classiques (ondulatoire ou corpusculaire) ou quantiques (à la fois ondulatoire et corpusculaire).

On a longtemps pu penser que le phénomène de réfraction de la lumière était parfaitement classique et interprétable par des ondes. Il cadrait parfaitement avec la théorie électromagnétique de Maxwell. On a remarqué d’ailleurs que les ondes matérielles (ondes de l’eau, ondes sonores, ondes sismiques, etc.) subissent aussi la réfraction.

D’autre part, le parcours des rayons lumineux s’est révélé obéir à une loi dite de « moindre parcours » de Fermat. C’est en fait la « loi de moindre action » qui permet d’interpréter au mieux la loi de réfraction qui met en relation les angles d’incidence, de réfraction et les indices des deux milieux transparents. On remarquera que ces indices nous renseignent en fait sur la vitesse de propagation de la lumière dans les milieux en question. L’indice d’un milieu transparent est inversement proportionnel à cette vitesse de propagation de la lumière dans le milieu. En effet, cette vitesse n’est c que dans le vide. Elle est plus réduite dans les milieux matériels. La réduction de la vitesse provient justement de cette interaction matière/lumière. Plus le milieu matériel est dense, plus la lumière ralentit en le traversant. L’indice de réfraction du vide est 1. Les indices de réfraction des autres milieux sont supérieurs à 1.

Or, quel est le type d’interaction matière/lumière dont il est question dans la diffusion ?

Pourquoi la lumière rebondit-elle à proximité de la matière ?

Cela provient des propriétés dites diélectriques de la matière. Ce sont les propriétés en relation avec l’attachement plus ou moins grand des électrons avec le matériau. Par exemple, un milieu dont les électrons sont libres comme un métal va entièrement réfléchir la lumière et ne sera pas transparent pour celle-ci. Un milieu transparent est donc celui où les charges électriques les plus mobiles, celles des électrons des atomes, ne seront pas très facilement déplaçables par l’énergie lumineuse. Les électrons vont un peu se déplacer et, en réaction, le rayonnement va être un peu modifié, l’interaction entraînant un retardement, une diminution de la vitesse de propagation.

Comme on le voit, l’interaction matière/lumière n’est pas produite par des chocs mécaniques mais par l’électromagnétisme de la matière. C’est essentiellement une interaction électron/photon.

Or l’effet Compton montre que la diffusion peut tout aussi bien avoir une apparence de phénomène corpusculaire et non ondulatoire. Cet effet ne peut être interprété que comme la diffusion d’un corpuscule (le photon) par un autre corpuscule (l’électron) avec modification du parcours et de la longueur d’onde du photon (ce changement provenant de l’échange d’énergie de l’interaction matière/lumière). On peut se demander s’il ne s’agit pas d’une interaction classique, mécanique, entre deux corpuscules : un rebond. Le caractère probabiliste de la diffusion Compton montre bien qu’il s’agit d’un effet quantique et non classique.
Il faut remarquer que lorsqu’il y a réfraction, généralement une partie de l’énergie lumineuse est réfléchie et une autre partie réfractée. On ne peut pas savoir d’avance si un photon va être réfléchi ou réfracté. On peut seulement savoir d’avance quel pourcentage des photons va être réfléchi et quel pourcentage va être réfracté. Cela provient du caractère quantique du phénomène.

Feynman tenait à insister dans son cours de physique sur le caractère corpusculaire de la lumière :

« Je ne saurais trop insister sur cet aspect de la lumière : la lumière est faite de particules. Il est très important – même si à l’école on vous a appris que la lumière se comporte comme une onde – de savoir que la lumière se comporte comme des particules. »

Bien sûr, au sens quantique, des particules ne sont pas des objets classiques puisqu’ils ne sont pas localisés, n’appartiennent pas à des trajectoires, ne sont pas indépendants du milieu et sont inséparables de leur onde…

Réfraction et réflexion

Comme telle, c’est une interaction qui est du domaine quantique, photons et électrons étant des complexes quantiques, à la fois onde et corpuscule et étant des structures émergentes issues du vide quantique, en relation au travers de celui-ci par les transformations dites virtuelles issues du vide quantique. La diffusion de la lumière par la matière (et donc la réfraction aussi) est un phénomène quantique et non classique.

L’interaction matière/lumière qui est à l’origine du phénomène de réfraction est liée à la relation entre la matière/lumière et le vide, entre les particules dites « réelles » et les particules (et antiparticules) dites virtuelles. Cela provient de la théorie quantique des champs.

Le ralentissement de la lumière provient du temps d’interaction au niveau virtuel entre le photon et l’électron. Ce n’est pas un phénomène de contact entre deux objets mais d’échange entre les nuages virtuels des deux. C’est ce que l’on appelle « une transition virtuelle ».

En effet, les corpuscules de lumière comme de matière sont entourés de nuages de particules virtuelles (et d’antiparticules). C’est ce qui leur donne leur caractère quantique à la fois corpusculaire et ondulatoire puisque la propriété (de matière ou de lumière) saute d’un corpuscule réel à un corpuscule virtuel du nuage. Telle est l’interaction entre matière et vide ou entre lumière et vide.

Voir ici l’interprétation de la réfraction par Feynman

Réfraction et réflexion de la lumière (le film)

Quelle relation entre matière et lumière
Que savons-nous de la lumière ?

La relation entre la vitesse de la lumière dans un milieu et la réfraction selon Feynman (en anglais)

En savoir plus sur le virtuel du vide quantique et ses liens avec la matière/lumière quantique

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