Quand on éteint la lumière, où va la lumière de la pièce ?
― Elle n'a pas disparu : les murs l'ont absorbée et transformée en chaleur
Quand on coupe l'interrupteur, la pièce s'assombrit en un instant. Mais la lumière qui remplissait la pièce une seconde plus tôt, où est-elle passée ? En fait, elle n'a pas « disparu ». À chaque choc contre un mur ou le sol, elle se change un peu en chaleur, et elle est entièrement épuisée en un cent-millionième de seconde environ.
Le soir, avant de dormir, vous éteignez la lumière de la chambre. Clic ! Et la pièce, si claire, devient toute noire.
Un enfant vous a peut-être déjà posé la question, et vous avez hésité : « La lumière de tout à l'heure, elle est où ? »
L'eau s'écoule et s'en va. Le son s'affaiblit et s'éteint. Mais la lumière, où s'est-elle écoulée ? Est-elle sortie par la fenêtre ?
La réponse apparaît quand on connaît deux choses
La lumière ne peut pas rester en place. Elle file sans cesse à environ 300 000 kilomètres par seconde. Elle traverse une pièce d'un bout à l'autre en moins d'un cent-millionième de seconde.
Quand la lumière frappe un mur ou le sol, une partie rebondit et le reste pénètre dans le mur. Ce qui est absorbé ne disparaît pas. Cela se change en une chaleur qui réchauffe très légèrement le mur.
Autrement dit, dans la pièce dont on a coupé l'interrupteur, la lumière restante rebondit de mur en mur à toute vitesse, et à chaque rebond une part est convertie en chaleur. Voyons cela pas à pas.
La lumière rebondit dans toute la pièce
La lumière d'une lampe n'arrive pas toujours droit dans nos yeux. La plupart du temps, elle frappe les murs, le plafond, le sol ou les meubles, puis rebondit et se répand partout. Si nous trouvons la pièce « claire », c'est parce que nous voyons cette lumière renvoyée.
Ces rebonds se répètent bien plus vite qu'on ne l'imagine. Une traversée de la pièce dure environ un cent-millionième de seconde. Entre le moment où l'on éteint et celui où l'on s'aperçoit que « c'est sombre », la lumière a déjà fait des dizaines d'allers-retours. Regardez la figure 1.
À chaque rebond, la lumière devient chaleur
Un papier peint clair renverrait environ la moitié de la lumière reçue et absorberait l'autre moitié. La lumière absorbée met en mouvement, très légèrement, les molécules du mur : c'est cela, la chaleur.
Réduire de moitié à chaque fois, cela veut dire qu'après 10 rebonds il ne reste qu'environ un millième de la lumière de départ. Après 20 rebonds, un millionième. Et comme un rebond dure environ un cent-millionième de seconde, le tout est des centaines de milliers de fois plus court qu'un clignement d'œil. Pour nous, cela ressemble à une disparition instantanée.
Quand la pièce est éclairée, la même chose se produit en continu. Une « pièce claire », c'est un équilibre entre la lumière que la lampe ne cesse d'émettre et la chaleur que les murs ne cessent d'absorber. L'interrupteur n'a fait que couper l'alimentation ; il n'a pas récupéré la lumière.
Le son aussi rebondit sur les murs et s'affaiblit en étant absorbé. C'est la réverbération. Le son va à environ 340 mètres par seconde ; un rebond prend donc des dizaines de fois plus d'une fraction de seconde, et la résonance dure assez longtemps pour être entendue. Pour la lumière, c'est la même histoire. Mais comme elle va 900 000 fois plus vite, la « réverbération » se termine incomparablement plus tôt.
Un tissu noir absorbe presque toute la lumière et n'en renvoie presque pas. Avec la même lampe, le nombre de rebonds n'augmente pas, donc la pièce reste sombre. À l'inverse, une pièce aux murs blancs est claire non parce que la lampe est puissante, mais parce que la lumière est réutilisée de nombreuses fois.
En résumé
La lumière n'a pas disparu : elle a été absorbée par les murs, le sol et les meubles, et s'est changée en une toute petite quantité de chaleur. Entre l'interrupteur et l'obscurité, le temps écoulé est nul à l'échelle de nos sens. Pourtant, pendant cet instant, la lumière a fait des dizaines d'allers-retours dans la pièce, et chaque fois, un peu d'elle s'est changé en chaleur.
La lumière de la pièce n'est pas sortie.
Elle est devenue, dans les murs, un tout petit peu de tiédeur.
La chaleur ressentie en frottant ses mains l'une contre l'autre est aussi du mouvement changé en chaleur. Lisez aussi Pourquoi les mains se réchauffent-elles quand on les frotte ? : vous y retrouverez le même fil, « ce qui semble disparu est devenu chaleur ». Quant à la façon dont l'œil s'habitue à l'obscurité, elle est traitée dans Pourquoi ne voit-on rien pendant un moment quand on passe d'un endroit lumineux à une pièce sombre ?
- Le soir, comparez la clarté d'une pièce aux murs blancs et celle d'une pièce aux rideaux sombres fermés. Avec la même lampe, celle où la lumière rebondit moins paraît plus sombre.
- Placez un miroir à main face à un miroir de salle de bains et regardez les images qui se succèdent en profondeur. Si elles s'assombrissent de plus en plus, c'est que la lumière est un peu absorbée à chaque rebond sur un miroir.
- Dirigez une lampe de poche vers une feuille de papier blanc : toute la pièce s'éclaire faiblement. La lumière renvoyée par le papier rebondit encore sur les murs et circule dans la pièce.
Dans l'expérience 2, les miroirs finissent par disparaître au bout de quatre ou cinq images. En comptant à quel rang l'image s'efface, on obtient une idée approximative de la part de lumière que le miroir absorbe.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsLe niveau de chaque passage est indiqué, du collège aux cours spécialisés de l'université
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en physique au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadrés des manuels
- Univ.Cours spécialisés de l'université (optique, physique du bâtiment), hors programme du lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Absorption : quand la lumière frappe une matière sans rebondir ni la traverser, elle se change à l'intérieur en une autre énergie, comme la chaleur.
- Réflectance : part de la lumière reçue qui rebondit. Environ 0,5 pour un papier peint blanc et 0,05 pour un tissu noir.
- Conservation de l'énergie : l'énergie ne disparaît ni ne naît ; elle change seulement de forme. La lumière qui devient chaleur en est un exemple.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : en combien de secondes la lumière de la pièce est-elle épuisée ?
Calculons le temps que met la luminosité de la pièce à tomber à un millième après l'extinction. C'est ce temps que l'on cherche.
| En symboles | I ＝ I0 × r puissance n ／ t ＝ (L ÷ c) × n |
| En mots | Luminosité restante = luminosité de départ × réflectance multipliée autant de fois qu'il y a eu de rebonds. Temps écoulé = trajet d'un rebond ÷ vitesse de la lumière × nombre de rebonds. |
| D'où vient-elle ? | De la conservation de l'énergie. La lumière reçue se partage entre la part « renvoyée » et la part « absorbée », dont la somme redonne toujours la quantité initiale. La part absorbée devient chaleur ; la lumière restante diminue donc d'une même proportion à chaque rebond. |
| Symbole L : trajet d'un rebond (moyenne jusqu'au mur, en mètres) | environ 4 mètres |
| Symbole c : vitesse de la lumière (en mètres par seconde) | environ 300000000 mètres par seconde |
| Symbole r : réflectance moyenne des murs, du sol et des meubles (une proportion, donc sans unité) | environ 0,5 |
| Symbole n : nombre de rebonds pour tomber à un millième (en nombre de fois) | 0,5 multiplié 10 fois donne environ un millième, donc 10 rebonds |
| Durée d'un rebond (secondes) | 4 ÷ 300000000 ≒ 0.0000000133 |
| Durée de 10 rebonds (secondes) | 0.0000000133 × 10 ＝ 0.000000133 |
| Un clignement de 0,1 s, c'est combien de fois plus ? | 0.1 ÷ 0.000000133 ≒ 751880 |
③ Concrètement, le temps d'un seul clignement d'œil contiendrait 750 000 fois l'événement « la lumière de la pièce s'éteint ». Nos yeux et nos nerfs ne réagissent pas aussi vite : la pièce nous semble donc s'assombrir en même temps que l'interrupteur.
LycéeLycée+Que veut dire « diminuer de moitié à chaque fois » ?
LycéeUne quantité qu'on multiplie sans cesse par la même proportion forme une suite géométrique. 0,5 multiplié 10 fois donne environ 0,00098, soit à peu près un millième. Cette décroissance « à proportion constante » s'appelle décroissance exponentielle. La demi-vie des substances radioactives et la décroissance de la réverbération d'un son ont la même forme.
Lycée+Pour un mur opaque, réflectance et absorptance ont pour somme 1. Cette réflectance, moyennée non plus sur une surface mais sur un objet ou un astre entier, s'appelle l'albédo. Celui de la Terre vaut environ 0,3 : elle renvoie 30 % de la lumière solaire reçue vers l'espace et reçoit le reste sous forme de chaleur. Ce qui se passe sur les murs d'une pièce et le raisonnement qui fixe la température de la Terre ont, au fond, la même forme.
Univ.La lumière aussi a un « temps de réverbération »
En physique du bâtiment, on appelle temps de réverbération le temps que met un son à tomber à un niveau donné, et on l'estime avec la formule de Sabine à partir du volume de la pièce et de son absorption acoustique. On peut faire exactement le même raisonnement pour la lumière, et estimer un « temps de séjour de la lumière » à partir du volume de la pièce et de l'absorptance des murs. En optique, on parle de durée de vie des photons dans une cavité. La méthode qui calcule la luminosité d'une pièce comme un échange de lumière entre surfaces s'appelle le calcul des interréflexions (méthode de radiosité) ; on l'emploie pour concevoir l'éclairage intérieur et pour générer des images par ordinateur.
📖 Dérivation de la formule et suites : Wikipédia en japonais, « Réverbération » ／ Wikipédia en japonais, « Albédo »
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Quelles vibrations la lumière absorbée met-elle en mouvement pour devenir chaleur ? La vibration à laquelle une molécule éclairée transmet son énergie, et la vitesse de ce transfert, varient selon la matière et sont toujours mesurées.
- Prédire avec exactitude une vraie pièce. Papiers peints et sols diffèrent par la couleur et la texture, et la réflectance change selon la couleur de la lumière. Deviner la luminosité sans mesure reste difficile.
- Filmer le vol de la lumière elle-même. On étudie des techniques qui prennent une image toutes les billionièmes de seconde pour filmer la lumière traversant une pièce. Le jour approche où l'on pourra suivre les rebonds à l'œil.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Les valeurs varient beaucoup selon la pièce : n'y voyez que des ordres de grandeur.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : propriétés de la lumière / énergie et ses transformations | Le rebond de la lumière et son absorption en chaleur |
| Lycée | Physique / mathématiques (suites) | Réflexion et absorption, calcul de la suite géométrique de raison 1/2 |
| Lycée+ | Physique approfondie, sciences de la Terre (bilan radiatif) | Somme réflectance + absorptance, albédo |
| Univ. | Optique, physique du bâtiment | Temps de réverbération, durée de vie des photons, calcul des interréflexions |
| Recherche | Spectroscopie moléculaire, imagerie computationnelle | Destin de l'énergie absorbée, imagerie ultrarapide du vol de la lumière |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi des murs et des meubles clairs éclairent mieux la pièce avec la même lampe |
- Illuminating Engineering Institute of Japan (照明学会), éd., « Manuel de l'éclairage » (『照明ハンドブック』), passage sur la réflectance des matériaux de finition intérieure
- Architectural Institute of Japan (日本建築学会), éd., « Supports pédagogiques de physique du bâtiment, volume Environnement » (『建築環境工学用教材 環境編』), chapitre sur la réverbération et l'absorption acoustique
- Wikipédia en japonais, « Réverbération »
- Wikipédia en japonais, « Albédo »
- Définition du mètre par le Comité international des poids et mesures (fondée sur la distance parcourue par la lumière dans le vide)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. La clarté d'une pièce varie fortement selon la couleur et la matière des surfaces.