Les enfants posent souvent des questions simples qui vous font vous demander si vous comprenez vraiment votre sujet. Une jeune de mes connaissances du nom de Collin s'est demandé pourquoi les couleurs de l'arc-en-ciel étaient toujours dans le même ordre - rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet. Pourquoi ne se mélangent-ils pas?
La séquence familière est capturée dans le célèbre Roy G. Biv acronyme, qui décrit la séquence de couleurs arc-en-ciel commençant par le rouge, qui a la plus longue longueur d'onde, et se terminant par le violet, le plus court. La longueur d'onde - la distance entre deux crêtes d'ondes successives - et la fréquence, le nombre d'ondes de lumière qui passent un point donné chaque seconde, déterminent la couleur de la lumière.
Les cellules coniques de nos rétines répondent à des longueurs d'onde de lumière comprises entre 650 nanomètres (rouge) à 400 (violet). UNE nanomètre est égal à un milliardième de mètre. Étant donné qu'un cheveu humain mesure 80 000 à 100 000 nanomètres de large, les ondes lumineuses visibles sont en effet de minuscules choses.
Alors pourquoi Roy G. Biv et pas Rob G. Ivy? Lorsque la lumière passe à travers le vide, elle le fait en ligne droite sans déviation à sa vitesse de pointe de 186 000 miles par seconde (300 000 km / sec). À cette vitesse, la plus rapide connue dans l’univers telle que décrite dans le Théorie spéciale de la relativité, la lumière se déplaçant de l'écran de l'ordinateur vers vos yeux ne prend qu'environ 1/1 000 000 000 de seconde. Merde vite.
Mais lorsque nous regardons au-delà de l'écran vers le grand et large univers, la lumière semble ralentir pour ramper, prenant toutes les 4,4 heures juste pour atteindre Pluton et 25 000 ans pour voler par le trou noir au centre de la galaxie de la Voie lactée. N'y a-t-il pas quelque chose de plus rapide? Einstein répondrait par un «non!» Catégorique.
L'une des propriétés les plus intéressantes de la lumière est qu'elle change de vitesse en fonction du support à travers lequel elle se déplace. Alors que la vitesse d'un faisceau dans l'air est presque la même que dans le vide, des milieux «plus épais» le ralentissent considérablement. L'un des plus connus est l'eau. Lorsque la lumière passe de l'air à l'eau, disons une goutte de pluie, sa vitesse tombe à 140 430 miles par seconde (226 000 km / sec). Le verre retarde les rayons lumineux à 124 275 milles / seconde, tandis que les atomes de carbone qui composent le diamant ralentissent sa vitesse à seulement 77 670 milles / seconde.
Pourquoi la lumière ralentit est un peu compliquée mais si intéressante, prenons un moment pour décrire le processus. La lumière qui pénètre dans l'eau est immédiatement absorbée par les atomes d'oxygène et d'hydrogène, ce qui fait que leurs électrons vibrent momentanément avant de se réémettre sous forme de lumière. Libre à nouveau, le faisceau se déplace maintenant jusqu'à ce qu'il claque dans plus d'atomes, fasse vibrer leurs électrons et soit réémis. Et encore. Et encore.
Comme une chaîne de montage, le cycle d'absorption et de réémission se poursuit jusqu'à ce que le rayon sorte de la goutte. Même si chaque photon (ou onde - votre choix) de lumière se déplace à la vitesse de vide de la lumière dans les vides entre les atomes, les retards minute pendant le processus d'absorption et de réémission s'additionnent pour ralentir la vitesse nette du faisceau lumineux . Lorsqu'il quitte enfin la goutte, il reprend sa vitesse normale dans l'air aérien.
Revenons maintenant aux arcs-en-ciel. Lorsque la lumière passe d'un milieu à un autre et que sa vitesse diminue, elle se courbe ou réfracté. Placez un crayon dans un verre à moitié rempli d'eau et vous verrez ce que je veux dire.
Jusqu'à présent, nous avons parlé de la lumière blanche uniquement, mais comme nous l'avons tous appris en sciences élémentaires, Sir Isaac Newton a mené expériences avec prismes à la fin des années 1600 et a découvert que la lumière blanche est composée de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Il n’est pas surprenant que chacune de ces couleurs voyage à une vitesse légèrement différente à travers une goutte d’eau. La lumière rouge n'interagit que faiblement avec les électrons des atomes et est le moins réfractée et ralentie. La lumière violette de longueur d'onde plus courte interagit plus fortement avec les électrons et souffre d'un degré plus élevé de réfraction et de ralentissement.
Les arcs-en-ciel se forment lorsque des milliards de gouttelettes d'eau agissent comme des prismes miniatures et réfractent la lumière du soleil. Le violet (le plus réfracté) apparaît au bas ou au bord intérieur de l'arc. L'orange et le jaune se réfractent un peu moins que le violet et occupent le milieu de l'arc-en-ciel. La lumière rouge, la moins affectée par la réfraction, apparaît le long du bord extérieur de l'arc.
Parce que leur vitesse dans l'eau (et d'autres médias) est une propriété fixe de la lumière, et puisque la vitesse détermine la quantité de courbure lors de leur passage de l'air à l'eau, ils sont toujours alignés comme Roy G.Biv. Ou l'ordre inverse si le faisceau lumineux se réfléchitdeux fois à l'intérieur de la goutte de pluie avant de sortir, mais la relation de couleur à couleur est toujours préservée. La nature ne mélange pas et ne peut pas mélanger au hasard le schéma. Comme dirait Scotty de Star Trek: "Vous ne pouvez pas changer les lois de la physique!"
Donc, pour répondre à la question originale de Collin, les couleurs de la lumière restent toujours dans le même ordre car chacune se déplace à une vitesse différente lorsqu'elle est réfractée à un angle à travers une goutte de pluie ou un prisme.
Non seulement la lumière change de vitesse lorsqu'elle pénètre dans un nouveau milieu, sa longueur d'onde change, mais sa fréquence reste la même. Bien que la longueur d'onde puisse être un moyen utile de décrire les couleurs de la lumière dans un seul support (l'air, par exemple), elle ne fonctionne pas lorsque la lumière passe d'un support à un autre. Pour cela, nous comptons sur sa fréquence ou sur le nombre d'ondes de lumière colorée passant un point de consigne par seconde.
La lumière violette à fréquence plus élevée se cramponne dans 790 billions d'ondes par seconde (cycles par seconde) contre 390 billions pour le rouge. Fait intéressant, plus la fréquence est élevée, plus une saveur particulière de lumière transporte d'énergie, une des raisons pour lesquelles les UV vous donneront un coup de soleil et la lumière rouge ne le fera pas.
Lorsqu'un rayon de soleil pénètre dans une goutte de pluie, la distance entre chaque crête successive de l'onde lumineuse diminue, ce qui raccourcit la longueur d'onde du faisceau. Cela pourrait vous faire penser que sa couleur doit devenir «plus bleue» lorsqu'elle passe à travers une goutte de pluie. Ce n'est pas parce que la fréquence reste la même.
Nous mesurons la fréquence en divisant le nombre de crêtes de vagues passant un point par unité de temps. Le temps supplémentaire nécessaire à la lumière pour voyager à travers la goutte annule proprement le raccourcissement de la longueur d'onde causé par la baisse de vitesse du rayon, préservant la fréquence du faisceau et donc la couleur. Cliquez sur ICI pour une explication supplémentaire.
Pourquoi les prismes / gouttes de pluie se plient et séparent la lumière
Avant de conclure, il reste une question sans réponse qui nous vient à l'esprit. Pourquoi la lumière se plie-t-elle en premier lieu lorsqu'elle brille à travers l'eau ou le verre? Pourquoi ne pas simplement aller droit au but? Eh bien, la lumière passe directement si elle est perpendiculaire au milieu. Ce n'est que s'il arrive à un angle du côté qu'il se pliera. C'est comme regarder une vague océanique entrante se courber autour d'une falaise. Pour une belle explication visuelle, je recommande l'excellente courte vidéo ci-dessus.
Oh, et Collin, merci pour cette question, mon pote!
