Le réchauffement climatique est lié au fait que la Terre chauffée par le rayonnement solaire émet des infrarouges que les gaz à effet de serre absorbent et qu’ils réémettraient selon un processus radiatif supposé par le GIEC, processus que je tiens pour faux comme je vous l’expliquerai plus tard, mais sans que cela ne mette en cause cet effet de serre.
Il n’en reste pas moins que la clé de la compréhension de l’effet de serre réside dans les interactions entre matière et rayonnement et il est donc indispensable de bien savoir ce qu’est un rayonnement et quelles sont ses caractéristiques.
Rayonnement est un terme général pour désigner l’ensemble des phénomènes liés aux ondes électromagnétiques. Une onde électromagnétique correspond à une variation dans le temps d’un champ électromagnétique et je vais donc pour commencer vous rappeler quelques notions de base concernant les champs électriques et magnétiques.
Le magnétisme est connu depuis la plus haute antiquité car il existe une roche dont vous ne vous étonnerez pas qu’elle s’appelle magnétite, qui est naturellement aimantée, c’est-à-dire qu’elle a la propriété d’attirer les objets en fer et éventuellement de leur transférer cette même propriété. Vous pouvez imaginer combien à l’époque cette action à distance paraissait magique, surtout quand vous considérez en plus qu’un morceau de fer aimanté muni d’un flotteur et placé dans un verre d’eau s’oriente toujours dans la même direction. Les Chinois l’ont découvert bien avant notre ère même si son utilisation en navigation ne remonte qu’au 11 ème siècle. En fait pour les Chinois la boussole indiquait traditionnellement le Sud alors que pour nous elle pointe vers le Nord ! Ce n’est pas grave, on s’y retrouve ! On ne perd pas le Nord !
L’électricité était aussi connue depuis longtemps sous sa forme statique. On savait que certains matériaux dont en particulier l’ambre une résine fossile, qui en grec ancien s’appelle « électron », attirait de petits objets lorsqu’on la frottait avec un chiffon, et on attribuait ce comportement à l’effet de particules à sa surface que le frottement activait. On pouvait par contact transférer ces charges électriques à certains autres objets. On s’aperçut vite aussi que l’ambre n’était pas le seul matériau qui possédait cette propriété mais que les charges n’étaient pas identiques et qu’il en existait deux variétés que l’on a baptisé vitreuse et résineuse avant de parler de polarité et de leur assigner un plus ou un moins.
Ces deux variétés s’attiraient mutuellement tandis que les charges de même polarité se repoussaient, comme dans les aimants les pôles nord attirent les pôles sud tandis que les pôles identiques se repoussent.
On avait encore là un phénomène d’action à distance facile à observer mais totalement inexplicable à l’époque et donc tout aussi mystérieux que le magnétisme. Par contre si on ne pouvait pas définir des charges magnétiques et les mesurer, il était possible de mesurer les charges électriques au moyen d’un appareil très simple baptisé électromètre. En utilisant une balance de son invention, extrêmement sensible, le physicien français Coulomb put ainsi établir que la force de répulsion ou d’attraction de deux objets électrisés était proportionnelle à leur charge et inversement proportionnelle au carré de leur distance.
F= q.q’/d²
Pour faire simple si vous avez une charge électrique de valeur 2 et une autre de valeur 3 placées à 10 centimètres l’une de l’autre la force d’attraction si elles sont de signes opposés sera de 2 que multiplie 3 soit 6 divisé par le carré de 10 soit 100 ce qui donne 0,06 en vous faisant grâce des unités ! Cette loi du carré de la distance se retrouve très souvent dans la nature. C’est par exemple le cas de la loi d’attraction des masses de Newton « mm’ sur d2 » comme on dit dans le jargon des mathématiciens !
On découvrit ensuite d’autres moyens de produire ces charges, par exemple au moyen de piles électriques dont la première est celle de Volta aux environs de 1800 et on découvrit qu’en reliant les deux pôles de la pile par un fil métallique ces charges circulaient de l’un à l’autre en créant ce qu’on appelle un courant électrique. Nous savons maintenant que les charges électriques qui circulent dans un conducteur sont des électrons négatifs ce qui est bien déplaisant car le courant électrique du coup circule du moins vers le plus à l’inverse de ce que la logique voudrait. Un courant électrique est défini par les deux variables que sont la quantité d’électrons qui circulent par seconde et l’énergie de ces électrons. On a choisi pour rendre hommage à ces précurseurs le nom de Coulomb comme unité de quantité d’électrons, celui d’Ampère un autre grand savant comme unité de mesure du nombre de coulombs qui circulent par seconde ce qui correspond à l’intensité du courant et celui de Volt pour désigner l’énergie individuelle des électrons.
Deux expériences célèbres ont conduit à la notion d’électromagnétisme. Une expérience réalisée par Laplace a montré qu’un aimant exerçait une force sur un courant électrique, une autre, réalisée par Oersted a montré que les variations d’un courant électrique déviait l’aiguille d’une boussole, c’est-à-dire exerçait une action sur un aimant.
Avant ces expériences le magnétisme et l’électricité apparaissaient comme des phénomènes distincts qu’il n’y avait aucune raison de supposer liés. D’un coup il est apparu qu’ils étaient les deux facettes d’un phénomène unique, l’électromagnétisme. Le problème de l’action à distance restait mystérieux. Comment un courant ou un aimant placé à distance d’un autre objet semblable pouvait-il détecter la présence de cet autre objet et réagir en fonction de sa position et de ses caractéristiques pour l’attirer ou le repousser ? Cela semblait devoir faire appel à l’intelligence artificielle avant l’heure. C’est Ampère qui a fourni la solution. Une charge électrique ne détecte pas la présence d’une autre charge électrique mais influence tout l’environnement en superposant en quelque sorte à l’espace géométrique dans lequel nous vivons une sorte d’espace défini par la force que cette charge exercerait en tout point de l’espace sur une autre charge électrique qui s’y trouverait. C’est ce qu’on appelle un champ électrique. Il en est de même pour les charges magnétiques qui créent des champs magnétiques. Les champs électriques et magnétiques sont une réalité physique, nous n’en avons pas conscience, mais nous sommes baignés par ces champs, nous vivons au milieu d’eux comme nous vivons dans l’air ou comme les poissons vivent dans l’eau !
Electricité et magnétisme sont intimement liés et ces champs ne sont que les deux composants d’un champ plus complexe qui est le champ électromagnétique. La notion de champ n’est pas réservée à l’électromagnétisme. La gravité par exemple crée le champ de pesanteur. Le poids d’un objet, de notre corps par exemple, se calcule selon la Loi de Newton, en multipliant notre masse par celle de la Terre et en divisant le résultat par le carré de la distance qui nous sépare du centre de cette dernière. Bien évidemment le kilo de banane que l’on pose sur le plateau de la balance ne sort pas de polytechnique et ignore tout de ces données. Le polytechnicien qui se pèse aussi d’ailleurs. Ce qu’il « ressent » si puis dire c’est l’intensité du champ de la pesanteur en cet endroit. Peu lui importe l’origine de cette pesanteur ou à quelle distance il se trouve du centre de la Terre et qu’elle est la masse de la Terre ! On peut ainsi définir un champ correspondant à tout phénomène qui crée en chaque point de l’espace une grandeur mesurable. Le vent, la température, le bruit, pourquoi pas le parfum. Et la grandeur peut être simple ou complexe. Par exemple le champ électrique qui agit sur une charge électrique est un champ de force qui associe une direction à une valeur. C’est ce qu’on appelle un champ de vecteurs. Le champ électromagnétique agit de même.
Le champ électromagnétique est donc formé de ces deux composantes, champ électrique et champ magnétique, qui interférent l’un avec l’autre. Ces champs se calculent en chaque point de l’espace à partir des charges électriques et magnétiques qui les créent grâce aux 4 magiques équations de Maxwell que ce grand physicien a établi vers 1865 comme une synthèse globale des lois précédentes qui s’appliquaient à des situations particulières.
Je vous affiche ces lois pour leur valeur symbolique car elles sont aussi ésotériques pour un profane qu’un hiéroglyphe égyptien ou un caractère chinois. Vous pouvez tout au plus remarquer que le champ électrique représenté par la lettre E et le champ magnétique représenté par la lettre B apparaissent tous deux associés dans la même équation ce qui exprime qu(ils sont interdépendants.
L’une des grandes conséquences des équations de Maxwell est qu’elles couvrent le cas de champs électromagnétiques variables si par exemple une des charges électriques ou magnétiques qui les créent se déplacent. Ces équations montrent qu’une perturbation du champ se déplace comme une vague sur la mer, à une vitesse constante qui se trouve être, dans le vide, celle que l’on connaissait de la lumière. C’est ce qui a conduit à prouver que la lumière était une onde électromagnétique, comme les ondes de la radio ou des téléphones mobiles.
Je vais dévier un peu de la ligne directrice de cette vidéo pour ouvrir une parenthèse sur un point particulier rarement voire jamais mentionné. On dit que la lumière est une onde, mais c’est une facilité de langage qui recouvre un concept erroné. Une onde n’est pas une réalité physique, c’est une représentation graphique de la variation d’une donnée dans le temps. C’est une création humaine, pas un objet observable ou mesurable. En fait c’est un outil inventé par les physiciens pour observer et définir le comportement d’une perturbation d’un champ et en particulier du champ électromagnétique. Grâce à cette description de la variation d’un phénomène on peut définir les caractéristiques de la propagation de la perturbation du champ électromagnétique, comme son caractère répétitif ou non, sa période de répétition, sa fréquence qui en est l’inverse et son intensité. L’onde est en quelque sorte pour un phénomène vibratoire l’équivalent d’un passeport qui définit les caractéristiques d’un individu mais qu’il ne viendrait pas à l’esprit de considérer qu’elles seraient cet individu et non juste sa description, de la même façon que selon le proverbe bien connu, la carte n’est pas le territoire.
Cela me ramène à la lumière. Sa nature a fait l’objet de nombreuses spéculations depuis les temps les plus reculés, mais qui se ramènent à deux principales. La première, supportée par Newton entre autres considérait que la lumière était constituée de petites particules colorées qu’un prisme pourrait séparer pour former un arc en ciel. C’est ce qu’on a appelé la théorie corpusculaire. Mais selon son presque contemporain Huygens cette hypothèse était insoutenable car elle était incapable d’expliquer les phénomènes d’interférence et de diffraction que nous avons tous observés à une occasion ou une autre, et qui s’expliquent très aisément et naturellement au contraire si on suppose que la lumière est un phénomène vibratoire. C’est cette notion qui a improprement été baptisée théorie ondulatoire et généralisé l’usage inapproprié du terme d’onde lumineuse. De toutes les façons cela n’a pas grande importance tant que l’on sait de quoi on parle ! En tout cas c’est cette théorie ondulatoire qui a prévalu, qui a fait l’objet d’un consensus scientifique et renvoyé pendant deux siècles la théorie corpusculaire aux oubliettes. Le problème est qu’Einstein a confirmé en étudiant la photo électricité – les panneaux solaires avant l’heure – que la lumière était bien composée de petites particules et que la théorie ondulatoire ne pouvait expliquer cet effet photoélectrique. Ces deux théories étaient totalement antinomiques, il fallait choisir l’une ou l’autre … enfin c’est comme ça que le problème se posait logiquement. Sauf qu’en l’occurrence il était tout aussi logiquement impossible de faire un choix !
La solution aussi choquante qu’elle puisse apparaître à nos cerveaux cartésiens est qu’il a bien fallu admettre que la lumière était à la fois ondulatoire et corpusculaire, ce qui a donné lieu à la notion de dualité onde-corpuscule dont vous avez certainement entendu parler. Cela a constitué l’acte de naissance de la Mécanique Quantique et l’inévitable reconnaissance que notre logique macroscopique et nos modes de raisonnements ne tiennent pas la route à l’échelle de l’infiniment petit ou un objet peut être en deux endroits à la fois et indécis quant à sa nature quand on ne l’observe pas. Ou les mêmes causes ne produisent pas les mêmes effets. Ou rien n’est certain mais seulement probable et où il n’y a que les probabilités qui sont certaines. C’est le désarroi complet de tout ce que nous tenions pour établi auparavant et la campagne de Russie pour nos neurones !
Soyons plus précis, nous ne savons pas quelle est la nature de la lumière, mais nous pouvons comprendre et prévoir son comportement en la considérant tantôt constituée de particules, tantôt comme un phénomène vibratoire que je qualifierais, comme l’usage le veut à défaut de la logique, d’onde, sans que jamais ces deux aspects pourtant si différents d’un même phénomène n’entrent en contradiction. Bien entendu ce qui est vrai pour la lumière est vrai pour toute onde électromagnétique. Cela nous conduit à une situation difficile à comprendre puisqu’elle sort du cadre de notre expérience courante dans laquelle une chose ne peut pas être deux choses à la fois. Ou un chat, fut-il celui de Schrödinger, ne peut-être que mort ou vivant, mais pas les deux à la fois
Il peut vous sembler que mentionner la mécanique quantique nous entraîne bien loin du réchauffement climatique mais comme vous le verrez dans la suite de ce MOOC ce n’est pas vrai pour deux raisons. La première est que l’effet de serre fait appel à la notion de Corps Noir qui est historiquement à la base de la découverte du comportement quantique du rayonnement et en second lieu parce que la thèse officielle attribue à cet effet de serre un caractère radiatif qui en dépend aussi.
J’ajouterai sur un point très précis que je conteste l’axiome selon lequel tous les Corps Chauds rayonnent quel que soit leur état physique, solide, liquide ou gazeux en affirmant que cet axiome, vrai pour les solides et les liquides ne s’applique pas aux gaz, et que pour suivre la démonstration que j’en donnerai dans une autre vidéo il est nécessaire de connaître au moins des rudiments de Physique Quantique, que je vous exposerai. Mais oubliez cela pour le moment. C’est comme disait Kipling, « une autre histoire » que je vous raconterai un autre jour.
Pour en revenir à la dualité onde-corpuscule qui traduit le comportement schizophrène du rayonnement électromagnétique considéré tantôt comme corpusculaire tantôt comme vibratoire, l’équivalence énergétique de ces deux aspects constitue le pont qui les relie. Un rayonnement électromagnétique transporte de l’énergie comme vous l’avez peut-être appris à vos dépens en prenant des coups de soleils l’été sur la plage et il est bien évident que cette énergie est la même, que le rayonnement soit considéré comme corpusculaire ou ondulatoire ce qui a conduit à la célèbre formule de Planck e=h.nu, presque aussi célèbre, au moins pour les physiciens que le e=mc² d’Einstein, équation qui associe l’énergie e du photon, la particule de lumière, à la fréquence nu de l’onde associée. Le coefficient h est une constante dont il ne vous étonnera pas qu’on l’appelle constante de Planck
Que veut dire cette formule ? Elle veut dire que quand vous regardez une source de lumière monochromatique, c’est-à-dire d’une seule fréquence, c’est à dire d’une seule couleur, rouge par exemple, vous pensez que l’intensité de cette lumière, c’est-à-dire l’amplitude de l’onde associée est plus grande pour une lumière vive que pour une lumière faible et que vous pouvez passer de l’une à l’autre de façon continue. Et analogique.
C’est naturel et pourtant c’est faux ! Quand vous faites varier l’intensité de la lumière, vous n’augmentez pas l’amplitude de l’onde mais vous augmentez le nombre de photons que vous générez, tous ces photons ayant exactement la même énergie « e=h.nu », nu correspondant à la fréquence de la lumière que vous regardez. Chaque photon constitue un « quantum » d’énergie. L’énergie pour cette fréquence ne peut varier que par saut de cette valeur. il n’y a pas de demi ou de quart de photons rouge, pas plus qu’un pommier ne produit des demi pommes ou une poule des demi œufs ! La quantification n’est pas limitée à l’infiniment petit même si elle est d’une autre nature !
L’exemple de l’effet photo électrique qui a valu son Prix Nobel à Einstein est particulièrement convainquant. Certains métaux ont la propriété lorsqu’on les éclaire d’émettre des électrons, c’est-à-dire en fait de créer des courants électriques. Cela permet de fabriquer des panneaux solaires coûteux et inefficaces mais qui permettent à l’Etat de faire face à ses revenus en dilapidant nos impôts en substantielles subventions. Mais pour que ces métaux émettent ces électrons il faut que la fréquence de la lumière dépasse un seuil particulier à chacun. Une fréquence plus basse n’a pas d’effet même si la lumière est extrêmement forte. Ca parait à première vue paradoxal mais ça s’explique fort bien si on considère que la lumière est composée de photons dont l’énergie est proportionnelle à la fréquence. Bombarder la cible avec des photons de basse fréquence qui ont donc individuellement une faible énergie, c’est comme bombarder un tank avec des balles de ping-pong, vous pouvez en envoyer des tonnes elles n’abîmeront même pas la peinture. Mais envoyez un seul petit obus antichar et vous ferez voler le tank en éclats !
Cette formule de Planck conduit souvent à considérer que l’énergie est quantifiée et ne se manifeste que par sauts, mais ce n’est pas tout à fait exact et c’est aussi un peu paradoxal. La quantification s’oppose au principe de continuité puisqu’elle traduit le fait qu’un phénomène quantifié ne peut être effectivement modifié que par saut, de façon discontinue, mais comme les fréquences ne sont pas quantifiées on peut toujours trouver deux fréquences c’est-à-dire deux photons d’énergies aussi proches que l’on veut l’une de l’autre, ce qui est la définition de la continuité.
Parmi toutes les formes d’ondes possible les plus intéressantes sont les ondes monochromatiques c’est à dire d’une fréquence bien précise, que l’on peut représenter par des courbes régulières de forme sinusoïdale. L’intérêt tout particulier de ces ondes est qu’un célèbre théorème dû au physicien français Joseph Fourier démontre qu’on peut représenter n’importe quelle onde par une addition d’ondes sinusoïdales dont les fréquences s’enchaînent en étant chaque fois divisées par 2, formant ce qu’on appelle des harmoniques. Ce sont ces harmoniques qui donnent aux instruments de musique leurs timbres particuliers qui font qu’une même note jouée au piano ou au violon ne sonne pas de la même façon.
Quand on étudie l’émission d’ondes électromagnétiques par une source on caractérise cette source par son spectre d’émission. Un spectre est une représentation graphique de la répartition de l’énergie émise selon la fréquence. On peut aussi le considérer comme une illustration du nombre de photons émis par seconde à chaque fréquence puisqu’il suffit de diviser l’énergie émise à la fréquence nu par l’énergie individuelle des photons de cette fréquence qui est comme je vous l’ai dit e=h nu pour obtenir le nombre de photons. Cette notion de spectre est fondamentale et elle reviendra souvent dans les vidéos qui suivent. Une caractéristique très importante du spectre est que la surface qu’il délimite est la somme de toutes les énergies émises par tout l’éventail de fréquences et elle est donc représentative de l’énergie totale émise par la source.
Mathématiquement une telle somme d’une infinité d’éléments infiniment petits s’appelle une intégration. Je vous demande de bien mémoriser ce fait important car nous allons le revoir dans la prochaine vidéo dans laquelle nous aborderons enfin le problème de l’interaction entre matière et lumière en introduisant la notion de Corps Noir.
D’ici là je vous laisse digérer celle-ci et vous remercie de votre attention..
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