Les couleurs de l'invisible

Message 1, par Elzen

§ Posté le 21/10/2013 à 0h 42m 42

J'ai, il y a quelques temps, consacré un article à la lumière visible et à certaines de ses caractéristiques ; mais il y a également beaucoup de choses intéressantes à dire sur la lumière que nous ne voyons ordinairement pas, nous autres humains.

Nous autres humains, parce que, comme je vous le disais dans d'autres articles, certains animaux sont sensibles à des longueurs d'ondes différentes et peuvent donc voir des choses qui nous échappent (et réciproquement, ne peuvent pas voir des choses que nous voyons, nous, très bien, par exemple ce qui se passe sur nos écrans) – il me semble tout de même que les différences ne sont pas immenses, je ne crois pas qu'il existe d'être vivant capable de voir par les rayons γ, mais bref.

Et ordinairement, parce que nous avons réussi à nous débrouiller pour concevoir des dispositifs sensibles à ces lumières invisibles, à partir desquels nous pouvons obtenir des images visibles, ce qui nous permet de « voir » indirectement des choses qui, directement, sont invisibles pour nos yeux.


Je vais donc consacrer, dans cet article, un paragraphe sur chacune des différentes familles de longueurs d'onde, en commençant par les plus courtes d'entre elles. Vous retrouverez sans doute beaucoup des informations que je vais vous donner ici sur Wikipédia (j'essayerai de penser à vous donner les liens au fur et à mesure, ce qui vous permettra d'aller approfondir si ça vous intéresse) ; mais, si vous préférez les références papiers, ou tout simplement si vous cherchez quelque chose à lire sur ce sujet comme sur beaucoup d'autres, il y a deux excellents livres que j'aimerais vous conseiller : Ce qu'Einstein disait à son coiffeur et Ce qu'Einstein n'a jamais dit à son tailleur, traductions de deux ouvrages anglophones de Robert L. Wolke.

Si j'ai déjà cité ces deux livres à plusieurs reprises dans d'autres articles, et sur des sujets parfois radicalement différents, c'est qu'ils sont assez riches : leur auteur y apporte des réponses scientifiques à de multiples questions de la vie de tous les jours, sur de multiples sujets, et le fait avec pas mal d'humour et en sachant rester très compréhensible. N'hésitez donc pas à les consulter : cela vous permettra sans doute de passer un bon moment, tout en enrichissant votre culture scientifique.


Mais commençons.


Les rayons γ (« gamma »)

Dans une conférence que je vous ai déjà présentée, André Brahic, astrophysicien, signale que le ciel, que nous voyons comme immuable en lumière visible, est, vu en rayons γ, changeant, bouillonnant. C'est que les rayons gammas, de haute énergie(1), sont émis par les particules radioactives. Et que, dans l'univers, de la radioactivité, il y en a beaucoup.

On peut dire, d'une certaine manière, que les rayons γ amènent une partie de cette radioactivité jusqu'à nous. En effet, ils ont tellement d'énergie que, lorsqu'ils rencontrent un atome, celui-ci s'en retrouve assez perturbé. Les rayons γ, associés au reste des rayonnement cosmiques dont ils forment une grande part, provoquent la formation du fameux carbone 14(2), version radioactive du carbone que nous connaissons (entre autres, bien sûr).


Au fait, pourquoi ce « γ » ? Simplement parce que les désintégrations d'atomes radioactifs émettent principalement trois sortes de choses, et qu'on a décidé d'appeler ces choses en prenant les trois premières lettres de l'alphabet grec : α, β et γ. Les lettres α et β désignent cependant des particules de matière (respectivement, noyau d'hélium, et électron), et non pas des rayonnements électromagnétiques, d'où le fait qu'ils n'ont pas leur paragraphe ici.


Les rayons X

On leur a autrefois choisi ce nom parce que leur nature exacte était mystérieuse, avant que l'on ne comprenne qu'il s'agissait de rayonnement électromagnétiques, exactement comme la lumière visible. Eux aussi peuvent être émis par les désintégrations radioactives – c'est même grâce à eux qu'Henri Becquerel découvrit la radioactivité spontanée, en remarquant qu'une pellicule photographique qui n'avait jamais été soumise à la lumière solaire avait tout de même été impressionnée un matériau radioactif situé à proximité.


On utilise parfois l'idée d'un regard « à rayon X » pour désigner un regard particulièrement pénétrant. Sans doute parce que l'on utilise effectivement les rayons X pour aller voir ce qui se passe à l'intérieur des choses : c'est avec ça que fonctionnent les appareils qui font ces superbes images de vos dents ou de vos fractures, chez le médecin (ou autres appareils utilisés en archéologie pour essayer de voir quels ossements contient un vieux bloc de pierre). Le principe est d'envoyer sur votre corps (ou sur d'autres objets) un faisceau de rayons X, et de regarder ce qu'il en reste de l'autre côté.

Car, ayant une très haute énergie, les rayons X peuvent traverser pas mal de choses sans être trop perturbés. Mais il y a cependant une limite : plus ils traversent de matière, moins ils peuvent continuer tout droit sans s'arrêter. Or, la densité les différents morceaux qui nous composent (os, dents, muscles…) n'est pas la même, c'est-à-dire que certaines parties de notre corps contiennent plus de matière que d'autres pour la même unité de surface. Les rayons X vont donc être mieux arrêtés par certaines parties que par d'autres, et l'image obtenue nous permettra de voir l'état de notre squelette.


Attention à ne pas abuser, cependant : les rayons X ont suffisamment d'énergie pour causer quelques dégâts aux matériaux qu'ils rencontrent, et notre corps n'apprécie donc pas y être trop exposé.

Le plomb passe généralement pour un bon moyen de bloquer ces rayons X. Mais c'est seulement parce qu'il est relativement dense (donc, qu'une couche pas trop épaisse suffit à arrêter une partie suffisante du rayonnement), et ne coûte pas trop cher à utiliser. Beaucoup plus dense, l'or serait un bien meilleur candidat, mais il est tellement plus cher que la différence ne serait quand même pas rentable. À l'inverse, d'autres matériaux moins cher que le plomb peuvent également faire l'affaire, mais il faut alors en mettre une épaisseur particulièrement importante.

Il n'y a donc pas de raison particulière pour laquelle le plomb serait le seul à arrêter la super-vision de Superman. L'or devrait y arriver encore mieux, normalement (et Lex Luthor a les moyens de s'en payer en cas de besoin).


Les ultraviolets

Nous arrivons à des rayons d'énergie raisonnable. Comme les précédents, les rayons ultraviolets nous arrivent également de l'espace. Le soleil, en particulier, en émet énormément. La différence, c'est que les hautes couches de notre atmosphères arrêtent relativement bien les autres, mais laissent passer une bonne partie des rayons ultraviolets(3), ce qui fait qu'ils cheminent sans trop d'encombre jusqu'à notre peau, lui permettant de bronzer, ou lui causant des « coups de soleil ». La crème solaire que nous mettons pour éviter ces derniers est constituée d'une matière qui absorbe certains UVs, les empêchant ainsi de brûler notre peau.


Mais nous disposons aussi de moyens de produire nos propres ultraviolets. Les lampes à « lumière noire », par exemple, en produisent pas mal, associés quand même à un peu de lumière visible.

Vous vous demandez peut-être comment, si nos yeux sont insensibles aux ultraviolets, nous pouvons voir si bien certains objets éclairés par la « lumière noire » ? C'est parce que certaines matières, après avoir absorbé des grains de lumières (des photons), en rejettent d'autres un peu moins énergiques. Comme la lumière visible est juste un peu moins énergique que les ultraviolets, une telle matière qui absorbe des ultraviolets rejette donc de la lumière visible. Cette réaction s'appelle fluorescence.

Et c'est d'ailleurs comme ça que fonctionnent nos « néons » (qui, souvent, ne contiennent pas vraiment de néon) : l'intérieur du tube émet des rayons ultraviolets ; mais sa surface est recouverte d'une substance fluorescente, qui convertit donc cette émission en lumière visible par nous.



La lumière visible, donc, se situe ici, entre les ultraviolets et les infrarouges.


Les infrarouges

Ceux-là sont particulièrement intéressants. On vous a peut-être appris, à l'école élémentaire ou au collège, qu'il existait les « sources primaires » de lumières, celles qui émettent véritablement la lumière (Soleil, lampe…) ; et les « sources secondaires » (à peu près tout le reste), qui n'en émettent pas par eux-mêmes, mais réfléchissent celles qu'ils reçoivent ? Eh bien, c'est vrai pour la lumière visible ; mais si nous voyions dans l'infrarouge, nous ne dirions sans doute pas ça. En effet, à peu près tous les corps chauds de l'univers émettent des rayons infrarouges(4).

Oui : vous, moi, tous les objets qui nous entourent sommes des sources primaires de rayonnements électromagnétiques. On ne peut pas s'en rendre compte à l'œil nu, mais si vous regardez ce que filme une « caméra thermique », ça donne des résultats assez curieux.


Tous les objets opaques, en absorbant une partie de la lumière qu'ils reçoivent, chauffent, et émettent donc d'autant plus de rayonnements infrarouges. Or, certaines matières, comme le verre de nos vitres ou comme la vapeur d'eau dans notre atmosphère, ont la particularité d'être transparentes pour la lumière visible, mais opaques pour les infrarouges : ils laissent donc passer la lumière visible qui nous arrive de l'extérieur, mais empêchent de repartir les infrarouges que nous émettons en retour. Ceux-ci sont donc contraints de rester autour de nous, jusqu'à ce qu'ils rencontrent une matière qui va les absorber pour chauffer à son tour. C'est ce que l'on appelle l'effet de serre(5), grâce auquel notre planète est suffisamment chaude pour que nous nous y sentions bien (mais gare à ce qu'il ne devienne pas trop important : limitons autant que possible les émissions de gaz augmentant cet effet).


Notons que le rayonnement infrarouge est également utilisé par pas mal de nos instruments. Par exemple, les radiateurs électriques sont de gros émetteurs d'infrarouges – c'est même ce que l'on attend d'eux, puisque c'est ainsi qu'ils nous chauffent. Ils sont en fait simplement constitués de bouts de métaux qu'un courant électrique va faire chauffer, et qui vont restituer une partie de cette chaleur en émettant lesdits infrarouges. Les vieilles lampes à incandescence fonctionnent sur le même principe et produisent leur lumière en portant, comme leur nom l'indique, à incandescence un filament de tungstène, ce qui dégage une lumière visible appréciable, mais aussi pas mal d'infrarouges.


Les micro-ondes

Moins énergétiques que les infrarouges, les micro-ondes peuvent traverser plus facilement certaines matières (de la même façon que les ultraviolets pouvaient traverser l'atmosphère qui bloquait pourtant les rayons X). Elles sont cependant à la bonne fréquence pour être absorbées par certaines substances, en particulier l'eau et les graisses. Cette configuration particulière fait que l'on peut envoyer un faisceau de micro-ondes sur, par exemple, un bol de chocolat au lait(6), qui va pouvoir le traverser partiellement, et donc le faire chauffer sur toute sa longueur, tandis que les infrarouges s'arrêtent en surface, et laissent donc la chaleur se propager à l'intérieur par contact – ce qui est beaucoup plus lent.

En construisant un appareil qui va bombarder le bol de chocolat au lait de micro-ondes plutôt que d'infrarouges, on obtient donc un moyen de le chauffer plus vite qu'en utilisant un four ou une cuisinière classique. Et comme on est dotés d'une imagination débordante, on appelle ce genre d'appareils « four à micro-ondes ».


Cependant, ces charmantes ondes ne nous servent pas qu'à cuire nos aliments. Les systèmes de communication « sans fil » de nos ordinateurs en utilisent, par exemple. N'ayez pas trop d'inquiétude, cependant, nous ne risquons pas de cuire dans notre sommeil : les parois des fours à micro-ondes sont des miroirs conçus sur mesure pour empêcher les micro-ondes de quitter la zone, ce qui fait qu'elles y sont beaucoup plus nombreuses qu'elles ne le sont « à l'air libre », dans leurs autres usages. Leur impact est donc beaucoup plus limité dès qu'on sort du four.

Les radars, également, utilisent les micro-ondes, se basant sur le fait que celles-ci, si elles pénètrent assez facilement dans les objets, sont aussi capables d'être réfractées (c'est-à-dire, de rebondir) assez facilement si elles frappent la surface avec un angle adéquat (exactement ce qui se passe sans cesse sur les parois du four à micro-ondes lorsqu'il est en fonctionnement). En rebondissant et en revenant vers la source qui les a émises, ces micro-ondes apportent suffisamment d'informations pour que l'on puisse se faire une idée de la forme de l'objet ainsi étudié(7).


Les ondes radio

Nous avons atteint le point où les ondes ont tellement peu d'énergie qu'elles ne font plus grand chose à la plupart des substances qu'elles rencontrent. Elles peuvent cependant toujours être captées par les instruments adaptés, et c'est pourquoi l'être humain les utilise habituellement pour ses communications : la radio, mais aussi la télévision et quelques autres trucs de ce genre, sont diffusés sur le territoire par de gigantesques sources d'ondes radios, l'information à transmise étant encodée dans le rayonnement électromagnétique, puis décodé par le récepteur.

Leur nom complet est « onde radioélectrique », mais on les appelle parfois également « ondes millimétriques » (parce que leur longueur d'onde, qui est d'autant plus grande que leur énergie est basse, est supérieure au millimètre ; elle peut même atteindre plusieurs mètres), ou « ondes hertziennes ».



Et puis bon. Ayant déjà mentionné, en note, dans un autre article, le pastafarisme, je ne peux pas terminer celui-ci, vu son titre, sans mentionner la licorne rose invisible.


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