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"Je sais que selon le milieu, la lumière a une vitesse plus ou moins élevée. Quand la lumière passe d'un milieu à un autre, la décélération ou l'accélération est-elle finie et calculable ? Ou serait-ce un phénomène quantique qui donne une accélération "infinie" ? Est-ce-qu'il y a un temps pour que la particule/onde change de vitesse, ou est-ce-qu'elle change de vitesse instantanément ?" Question de Pablo
 

Vitesse de la lumière dans deux milieux différents

Comme l'explique la page "La vitesse de la lumière est-elle toujours la même ?", la lumière ne traverse pas à la même vitesse de l'air et de l'eau, par exemple.

Elle a sa vitesse c (appelée célérité de la lumière) de 300 000 kilomètres par seconde dans l'air, mais elle va être ralentie par les atomes de l'eau.

Dans l'eau (qui a un indice optique de 1,333), la lumière voyage à la vitesse v = c / 1,333 = 225 056 km.s-1.

Cela est vrai quand on regarde "de loin", quelle est la vitesse moyenne de la lumière pour traverser une même épaisseur d'air et d'eau.


Que se passe-t-il à la frontière air / eau ?

Regarder de loin ne suffit plus si on veut comprendre ce qui se passe à la frontière entre les deux milieux (l'air et l'eau) car cela se passe au niveau des atomes : il faut prendre une (grosse) loupe et regarder de beaucoup plus près !

Au niveau microscopique, l'air est un gaz où il y a assez peu de molécules : la lumière y voyage sans encombre, à sa vitesse c.
Mais l'eau est un ensemble de molécules bien plus compliqué à traverser pour la lumière, qui est faite de particules lumineuses - les photons - avec qui les électrons des molécules d'eau adorent "jouer".

vit lum chgt milieu glass 933703 pixabay VPQuand un photon rencontre la première molécule d'eau (sur la "frontière", donc), il se fait "avaler" puis "recracher" par cette molécule (c'est imagé, mais cela reflète bien son aventure !).

Cette rencontre le laisse "sain et sauf" pour continuer sa route à sa vitesse habituelle (c).

Mais cette mésaventure lui a fait perdre du temps et l'a parfois un peu dévié de sa trajectoire initiale... et cela va ensuite lui arriver à chaque rencontre avec une molécule d'eau. Or il en rencontre un paquet sur son passage !

Total : même s'il file à la vitesse c entre deux molécules d'eau, le photon est ralenti un nombre incroyable de fois sur son trajet... et il a, en moyenne, été moins vite que sa vitesse standard c.

Mais ce qui se passe à la frontière n'a rien de "mystérieux" ou d'infini : c'est une banale rencontre entre un photon et une molécule.

Donc :

  • la vitesse du photon ne change pas vraiment : juste avant et juste après sa rencontre avec une molécule, elle vaut c
  • son changement de trajectoire est difficile à calculer. Mais on connaît la déviation moyenne, calculée sur la grande quantité de photons que contient un rayon lumineux (elle est donnée par la loi n1 sin i1 = n2 sin i2)
  • le temps pendant lequel le photon interagit avec la première molécule est très court mais il n'est pas nul, donc rien ne se passe instantanément : comme vous l'avez compris, le fait que la vitesse de la lumière soit ralentie est putôt une "apparence", une moyenne de la "performance" réalisée par les photons lors de leurs trajets dans la matière.

 

Auteur du site

id_vero_2008_50x59.jpgVéronique Parasote
Docteur en physique
Journaliste scientifique

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(réservé à l'auteur)

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