Quand on éteint la lumière, où va-t-elle ?
― Elle n'a pas disparu, elle a été absorbée par les murs et transformée en chaleur
On éteint l'interrupteur, et la pièce plonge dans le noir en un instant. Mais où est donc passée toute cette lumière qui, un instant plus tôt, remplissait la pièce ? En réalité, la lumière n'a pas « disparu ». Elle se transforme peu à peu en chaleur à chaque fois qu'elle heurte un mur ou le sol, et elle est entièrement absorbée en environ un cent-millionième de seconde.
Le soir, avant de dormir, on éteint la lumière de la chambre. Un clic, et la pièce éclairée devient soudain toute noire.
Un enfant vous a peut-être déjà posé la question, et vous a pris au dépourvu : « Elle est allée où, la lumière ? »
L'eau s'écoule et s'en va. Le son s'affaiblit et s'éteint. Mais la lumière, vers où s'est-elle donc écoulée ? Est-elle sortie par la fenêtre ?
La réponse tient en deux points
La lumière ne peut rester sur place. Elle file constamment 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 heurte un mur ou le sol, une partie rebondit et le reste est absorbé dans le mur. Ce qui est absorbé ne disparaît pas pour autant : cela se transforme en chaleur, réchauffant très légèrement le mur.
Autrement dit, dans la pièce après l'extinction, la lumière restante rebondit d'un mur à l'autre à une vitesse fulgurante, et se transforme en chaleur à chacun de ces rebonds. Voyons cela dans l'ordre.
La lumière rebondit dans toute la pièce
La lumière issue d'une lampe n'arrive pas toute directement à l'œil. La plus grande partie frappe les murs, le plafond, le sol, les meubles, puis rebondit et se disperse dans toute la pièce. Ce que nous appelons « une pièce éclairée » n'est en fait que cette lumière rebondie que nous percevons.
Ces rebonds se répètent bien plus vite qu'on ne l'imagine. Le temps que met la lumière pour traverser une pièce une seule fois est d'environ un cent-millionième de seconde. Entre le moment où l'on éteint et celui où l'on remarque que « c'est devenu sombre », la lumière a déjà fait des dizaines d'allers-retours. Regardez la figure 1.
À chaque rebond, la lumière se transforme en chaleur
Un papier peint clair renvoie environ la moitié de la lumière reçue et en absorbe l'autre moitié. La lumière absorbée fait vibrer très légèrement les molécules du mur : c'est cela, la chaleur.
Si la quantité diminue de moitié à chaque fois, après 10 rebonds il ne reste plus qu'environ un millième de la lumière initiale. Après 20 rebonds, un millionième. Et comme chaque rebond prend environ un cent-millionième de seconde, le tout se joue en un temps plusieurs centaines de milliers de fois plus court qu'un clignement d'œil. À nos yeux, cela ressemble à une disparition instantanée.
Pendant que la pièce reste éclairée, ce même phénomène se poursuit sans cesse. Une « pièce éclairée » est en réalité un état d'équilibre entre la lumière émise en continu par la lampe et la chaleur absorbée en continu par les murs. L'interrupteur ne fait qu'arrêter cet apport ; il ne récupère pas la lumière déjà présente.
Le son aussi rebondit sur les murs et s'affaiblit en s'y faisant absorber : c'est l'écho, ou réverbération. Comme le son voyage à environ 340 mètres par seconde, chaque rebond prend plusieurs dizaines de millisecondes, un délai assez long pour être perçu à l'oreille. C'est exactement le même phénomène qui se produit avec la lumière. Simplement, comme sa vitesse est 900 000 fois plus grande, sa réverbération s'achève dans un temps incomparablement plus court.
Un tissu noir absorbe presque toute la lumière reçue et n'en renvoie presque rien. Avec la même lampe, comme le nombre de rebonds n'augmente pas, la pièce paraît plus sombre. À l'inverse, une pièce aux murs clairs semble lumineuse non pas parce que la lampe est plus puissante, mais parce que la lumière y 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 transformée en une chaleur infime. À nos yeux, le temps qui sépare l'extinction de l'obscurité totale semble nul. Mais pendant cet instant, la lumière a fait des dizaines d'allers-retours dans la pièce, se transformant peu à peu en chaleur à chaque passage.
La lumière de la pièce n'est pas sortie.
Elle est devenue, dans les murs, un tout petit peu de chaleur.
La chaleur que l'on ressent en se frottant les mains vient aussi d'un mouvement transformé en chaleur. Pourquoi se frotter les mains produit-il de la chaleur ? suit le même raisonnement : quelque chose qui semble disparaître se change en réalité en chaleur. Le mécanisme par lequel les yeux s'habituent à l'obscurité est traité dans Pourquoi ne voit-on plus rien pendant un moment en entrant dans une pièce sombre depuis un endroit lumineux ?
- Le soir, comparez la luminosité d'une pièce aux murs clairs et d'une pièce aux rideaux sombres tirés. Avec la même lampe, la pièce où il y a moins de rebonds paraît plus sombre.
- Placez un miroir à main face à un miroir de salle de bain et observez les images qui s'enfoncent dans la profondeur. Plus l'image est loin, plus elle s'assombrit : la preuve qu'à chaque rebond sur le miroir, une part de lumière est absorbée.
- Dirigez une lampe de poche vers une feuille blanche et constatez que toute la pièce s'éclaircit légèrement. La lumière renvoyée par la feuille rebondit encore sur les murs et circule dans toute la pièce.
Pour le miroir de l'expérience 2, l'image devient invisible après 4 ou 5 reflets environ. En comptant à quel reflet elle disparaît, on peut estimer approximativement la part de lumière absorbée par le miroir.
Pour en savoir plus ― termes, formules, liens avec les programmes scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, chaque niveau est indiqué clairement
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « physique fondamentale / physique » du lycée
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (optique, génie de l'environnement du bâtiment)
- RechercheSujet qui n'est même pas enseigné à l'université comme un fait établi, encore étudié activement par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Absorption : quand la lumière heurte une matière, sans rebondir ni la traverser, et se transforme à l'intérieur en une autre forme d'énergie, comme la chaleur.
- Facteur de réflexion : la proportion de lumière reçue qui rebondit. Environ 0,5 pour un papier peint blanc, environ 0,05 pour un tissu noir.
- Principe de conservation de l'énergie : règle selon laquelle l'énergie ne disparaît ni n'apparaît, elle ne fait que changer de forme. La transformation de la lumière en chaleur en est un exemple.
CollègeLycéeVérification par le calcul : en combien de temps la lumière d'une pièce est-elle épuisée ?
Calculons le temps qu'il faut, après l'extinction, pour que la luminosité de la pièce tombe à un millième de sa valeur initiale. C'est ce temps que l'on veut déterminer.
| En symboles | I = I0 × r puissance n ／ t = (L ÷ c) × n |
| En mots | Luminosité restante = luminosité initiale × facteur de réflexion élevé au nombre de rebonds. Temps écoulé = distance d'un trajet ÷ vitesse de la lumière × nombre de rebonds. |
| D'où vient cette formule | Du principe de conservation de l'énergie. La lumière reçue se divise en « part rebondie » et « part absorbée », dont la somme redonne toujours la quantité initiale. La part absorbée devient chaleur, donc la lumière restant dans la pièce diminue d'une proportion constante à chaque rebond. |
| Symbole L : distance d'un trajet (moyenne jusqu'à l'impact sur un mur, en mètres) | Environ 4 mètres |
| Symbole c : vitesse de la lumière (en mètres par seconde) | Environ 300 000 000 mètres par seconde |
| Symbole r : facteur de réflexion moyen des murs, du sol et des meubles (proportion, sans unité) | Environ 0,5 |
| Symbole n : nombre de rebonds pour que la luminosité tombe à un millième (en nombre de rebonds) | 0,5 élevé à la puissance 10 donne environ un millième, donc on retient 10 rebonds |
| Temps d'un rebond (en secondes) | 4 ÷ 300 000 000 ≈ 0,0000000133 |
| Temps pour 10 rebonds (en secondes) | 0,0000000133 × 10 = 0,000000133 |
| Combien de fois cela tient dans un clignement d'œil de 0,1 seconde | 0,1 ÷ 0,000000133 ≈ 751880 |
③ En termes concrets, cela signifie que pendant un seul clignement d'œil, un événement équivalent à « la lumière de la pièce s'éteint » se produit environ 750 000 fois. Nos yeux et nos nerfs ne peuvent pas réagir aussi vite, donc tout nous semble s'assombrir exactement au moment de l'extinction.
LycéeLycée+Que signifie « diminuer de moitié à chaque fois » ?
LycéeUne diminution par multiplication répétée du même facteur s'appelle une suite géométrique. 0,5 élevé à la puissance 10 donne environ 0,00098, soit environ un millième. Cette forme de « diminution à taux constant » est appelée décroissance exponentielle. La demi-vie des substances radioactives et l'affaiblissement de la réverbération du son suivent la même forme.
Lycée+Pour un mur opaque, la somme du facteur de réflexion et du facteur d'absorption vaut 1. Ce facteur de réflexion, moyenné non pas sur une surface mais sur un objet ou un astre entier, s'appelle l'albédo. L'albédo de la Terre est d'environ 0,3, ce qui signifie qu'elle renvoie vers l'espace 30 % de la lumière solaire reçue et n'en absorbe le reste que sous forme de chaleur. Ce qui se passe sur le mur d'une pièce et ce qui déterminé la température de la Terre suivent en réalité la même logique.
UniversitéLa lumière a, elle aussi, un « temps de réverbération »
En génie de l'environnement du bâtiment, le temps que met le son à s'affaiblir jusqu'à un certain niveau s'appelle le temps de réverbération, estimé à partir du volume de la pièce et de son pouvoir d'absorption acoustique par la formule de Sabine. On peut construire exactement la même approche pour la lumière, et estimer un « temps de résidence de la lumière » à partir du volume de la pièce et du facteur d'absorption des murs. En optique, on traite cela sous le nom de durée de vie du photon dans une cavité résonante. La méthode qui calcule la luminosité d'une pièce elle-même comme un échange de lumière entre surfaces s'appelle le calcul par radiosité (interréflexions), utilisé dans la conception d'éclairage intérieur et la génération d'images par ordinateur.
📖 Pour la démonstration de la formule et pour aller plus loin : Wikipédia en japonais, article « Réverbération » ／ Wikipédia en japonais, article « Albédo »
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Ce que fait vibrer exactement la lumière absorbée pour devenir chaleur. La façon dont une molécule ayant reçu de la lumière transfère l'énergie à telle ou telle vibration, et à quelle vitesse, varie selon la matière, et cela continue d'être mesuré aujourd'hui.
- Prédire précisément une pièce réelle. Papiers peints et sols varient énormément en couleur et en texture, et le facteur de réflexion change aussi selon la couleur de la lumière. Prédire la luminosité sans mesure directe reste aujourd'hui difficile.
- Filmer le vol de la lumière elle-même. On étudie des techniques de prise de vue à la cadence d'un billionième de seconde pour filmer la lumière traversant une pièce. Le jour où l'on pourra suivre les rebonds à l'œil approche.
Le contenu de cet article n'est donc lui aussi qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Les valeurs numériques varient beaucoup selon l'agencement de la pièce ; à utiliser uniquement comme ordre de grandeur.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Propriétés de la lumière / Transformations de l'énergie | Le rebond de la lumière et sa transformation en chaleur par absorption |
| Lycée | Physique fondamentale・Physique / Mathématiques B (suites) | Réflexion et absorption, calcul de la suite géométrique qui diminue de moitié |
| Lycée+ | Physique d'approfondissement・Sciences de la Terre (bilan radiatif) | Somme du facteur de réflexion et du facteur d'absorption, albédo |
| Université | Optique・Génie de l'environnement du bâtiment | Temps de réverbération, durée de vie du photon, calcul des interréflexions |
| Recherche | Spectroscopie moléculaire・Imagerie computationnelle | Destination de l'absorption, prise de vue ultra-rapide du vol de la lumière |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi éclaircir les murs et les meubles rend une pièce plus lumineuse avec la même lampe |
- Société d'éclairage du Japon (照明学会), Manuel de l'éclairage (照明ハンドブック), passage sur le facteur de réflexion des matériaux d'intérieur
- Société architecturale du Japon (日本建築学会), Manuel pédagogique de génie de l'environnement du bâtiment — volet environnement (建築環境工学用教材 環境編), chapitre sur la réverbération et l'absorption acoustique
- Wikipédia en japonais, article « Réverbération »
- Wikipédia en japonais, article « 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 explication scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La luminosité d'une pièce varie beaucoup selon la couleur et les matériaux de l'intérieur.