Par : Raymond Gilbert, le 15 janvier 2024
La réfraction de la lumière est un phénomène très curieux. On peut le définir comme étant le changement de direction que subit un faisceau lumineux lorsque celui-ci passe d’un milieu optique à un autre.
Ainsi, si vous projetez le faisceau lumineux d’un pointeur laser sur un bloc de plexiglass ou de verre par exemple, vous pourrez constater que le faisceau ne se propage pas dans le bloc de la même façon qu’il le fait dans l’air. En fait lorsque le faisceau frappe le dessus du bloc, il est réfracté (dévié). C’est cette déviation qu’on appelle la « réfraction ». Les lois mathématiques qui gouvernent ce phénomène sont relativement simples. En fait, l’angle selon lequel la lumière va se propager dans le bloc dépendra de l’angle d’entrée de la lumière dans le bloc et de l’indice de réfraction du bloc en question.
L’indice de réfraction de l’air ou du vide (N1) est de 1, tandis que l’indice de réfraction du verre ou du plexiglas (N2) est autour de 1,5. On définit que l’angle d’entrée du faisceau lumineux dans le bloc est Thêta 1 tandis que l’angle de propagation dans le bloc s’appelle Thêta 2. Ainsi l’équation de réfraction d’un faisceau se propageant dans ce bloc est : N1 x sin (Thêta 1) = N2 x Sin (Thêta 2 ) . Pour les fins de ce texte, nous avons désigné que Thêta 1 était égal à 30 degrés. Comme N1 = 1 et N2 = 1,5, on peut facilement calculer que Thêta 2 sera égal à 19,47 degrés.
Première observation : C’est tout de même étrange qu’un faisceau lumineux qui passe d’un milieu à un autre subisse un changement de direction relativement important, soit une déviation de plus de 10 degrés. Disons simplement pour l’instant que ce changement de direction résulte du fait que le faisceau lumineux frappe le bloc avec un angle. Si l’angle est zéro, il n’y a pas de réfraction. La science ne peut pas à l’heure actuelle expliquer les raisons fondamentales de ce phénomène. Pour ma part, je crois que la réfraction est le résultat de l’entrée en oscillation des électrons de la substance dont est constituée le bloc, ceux-ci étant stimulés par les photons du faisceau entrant. Nous reviendrons plus tard avec une explication détaillée de ce phénomène qui serait en fait le résultat d’un phénomène d’interférences des ondes lumineuses qui se propagent à travers le bloc.
Deuxième observation : Le faisceau lumineux va rechanger de direction quand il va ressortir du bloc, et il en ressortira exactement dans le même angle qu’il y est entré. Si on résume, si le faisceau d’un pointeur entre dans un bloc de verre à 30 degrés, il sera dévié à 19,47 degrés à l’intérieur du bloc et il en ressortira à 30 degrés, soit le même qu’à l’entrée.
Pour expliquer ce phénomène, les scientifiques ont émis l’hypothèse qu’il était provoqué par une réduction considérable de la vitesse de la lumière lorsqu’elle entre dans le bloc. A prime abord, cette explication semble faire un certain sens. On peut anticiper en effet que la lumière puisse être ralentie lorsqu’elle passe dans un milieu peu dense comme l’air ou le vide vers un milieu plus dense comme le plexiglass ou le verre. Donc, dans le cas décrit dans ce texte, la lumière entrerait dans le bloc a 300,000 Km/seconde, et réduirait sa vitesse à 200,000 Km/seconde en entrant dans le bloc. Ce n’est pas rien. Ici, on parle d’une réduction instantanée de 100,000 Km/sec. Et ce n’est pas tout. Comme le faisceau revient à son angle d’entrée en sortant du bloc, les scientifiques en ont conclu que c’était parce qu’il ressortait à la même vitesse qu’il était entré. Là, ‘’ Wo les moteurs ‘’ . On peut comprendre que lorsque le faisceau lumineux entre dans le bloc, il perd de l’énergie et qu’il ralentit, mais où peut-il bien prendre son énergie à la sortie pour réaccélérer à 300,000 Km/seconde instantanément. On ne parle pas ici d’une légère augmentation de vitesse, mais bien d’une augmentation de 100,000 Km/seconde. En effet, selon le calcul des scientifiques, le faisceau lumineux ralentirait de 300,000 Km/seconde à 200,000 Km/sec en entrant dans le bloc et sa vitesse ré-augmenterait à 300,000 Km/seconde lorsqu’ il en ressortirait. On peut avaler quelques couleuvres, mais celle-là est, à mon avis, un peu trop grosse. Si la vitesse ralentissait vraiment dans le bloc, ce serait parce qu’elle est freinée, donc qu’elle perd de l’énergie. Où pourrait-elle bien retrouver cette énergie à la sortie pour réaccélérer comme si de rien n’était. Intuitivement, on comprend qu’il y a quelque chose qui cloche.
J’émet plutôt l’hypothèse que la déviation d’un faisceau lumineux dans un bloc de verre, la réfraction, est plutôt le résultat d’interférences constructives qui se produisent dans le bloc. En effet, dès qu’un premier photon frappe un électron dans le bloc de verre, cet électron émet une nouvelle onde lumineuse. Comme le faisceau frappe le bloc avec un angle, les électrons de la surface du bloc seront excités à tour de rôle et émettront de nouveaux photons. Ce sont les nouvelles ondes lumineuses émises qui entreraient en interférence et qui génèreraient le faisceau dévié que nous pouvons observer. Ainsi, le faisceau lumineux se propagerait toujours à la même vitesse et son changement de direction serait le fruit des interférences générées dans le bloc. De la même façon, lorsque le faisceau lumineux ressortirait du bloc, les photons du bloc exciteraient les électrons du matériau qu’ils rencontreraient dans l’air à la sortie et un nouveau réseau d’interférences ferait en sorte que le faisceau de sortie serait de nouveau dévié, mais cette fois-ci dans la même direction que le faisceau de l’entrée.
Afin de vérifier cette hypothèse, nous proposons de réaliser l’expérience suivante : On installe un bloc de verre dans la paroi d’un caisson dans lequel on peut faire le vide. Dans un premier temps, à partir de l’extérieur , on projette un faisceau lumineux sur le bloc de verre à un angle, supposons 30 degrés, on pourra facilement vérifier que le faisceau est dévié à 19,47 degrés dans le bloc , et qu’à la sortie, il revient à 30 degrés tant et aussi longtemps que le vide n’est pas fait dans le caisson. Puis dans un deuxième temps, sans déplacer le faisceau lumineux, on fait le vide dans le caisson. Nous prédisons qu’au fur et à mesure que le niveau de vide absolu (comme dans l’espace) sera atteint, le faisceau se redressera et finira par pointer à 19,47 degrés, soit exactement au même angle qu’il avait adopté pour se déplacer dans le bloc. L’explication que nous en donnons est très simple : Puisque les photons sortent dans le vide et qu’ils ne rencontrent pas d’autres électrons, ils ne peuvent pas générer de nouveaux photons. Donc pas de nouveau photons, pas de nouvelles ondes lumineuses et pas d’interférences possible. De ce fait le faisceau ne changerait pas de direction à la sortie du bloc.
Il faudra cependant s’assurer que le vide complet est atteint et que toutes les molécules d’air qui pourraient être emprisonnées sur les parois du bloc aient vraiment été délogées sous l’effet du vide. L’endroit idéal pour faire ce type d’expériences serait évidemment l’espace. Dépendamment des matériaux qui constituent les hublots de la station spatiale, on pourrait projeter de l’intérieur un faisceau lumineux ayant un certain angle dans l’un d’eux et constater que le faisceau ne ressort pas à l’angle qu’il est entré. En fait, il ressortira à l’angle selon lequel il s’est déplacé dans le hublot. Et si on refait exactement la même expérience en projetant cette fois-ci le faisceau par l’extérieur de la station spatiale, on réalisera que cette fois le faisceau ressortira du hublot exactement au même angle que celui auquel il est entré, car dans la station spatiale, il y a de l’air. Si on réalisait cette expérience complètement dans le vide, le faisceau projeté sur le bloc serait dévié dans le bloc , mais il ressortirait du bloc en suivant son angle de déviation dans le bloc. Il ne reviendrait donc pas à son angle initial.
La réalisation de telles expériences nous permettraient de mieux comprendre les phénomènes qui régissent la propagation de la lumière dans différents milieux, y compris dans l’espace.
