Podcast science 38 – La lumière

On 26.05.2011, in Notes d'émission, by Podcast Science
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Bonjour à toutes et à tous!

Un peu de housekeeping d’abord, concernant notre virée au CERN le samedi 9 juillet à 14h : merci de nous confirmer

  1. votre venue (il y a des gens sur liste d’attente, si jamais votre place devait se libérer, elle ne serait pas perdue pour tout le monde)
  2. votre taille de t-shirt (S, M, L, XL, XXL ou autre)

Via les moyens habituels siouplait, soit

Là, maintenant, tout de suite please. Merci :)

Le dossier de la semaine

Retour sur le dossier de la semaine dernière

Le commentaire avisé de Pierre Kerner:

J’ai beaucoup aimé cet épisode (que j’ai mis du temps à écouter, mais voilà chose faite). Alan c’est lancé sur un gros morceau digne des dossiers épique de Mathieu, chapeau donc! Pas de grosses critiques à faire. Je vous dirige juste sur l’excellent blog de Christie Wilcox d’Observations of a Nerd qui a publié un billet du même acabit à l’occasion de l’identification du corps d’Osama ben Laden (en Anglais : http://goo.gl/G4m7R ). 

Sinon je reviens sur une remarque de Mathieu que je ne peux pas laisser passer: Il a réagi sur le fait que les 4 “lettres” (les bases azotées) se retrouvaient chez tous les animaux, de la plus simple bactérie aux animaux les plus évolués… Alors bon, d’abord, il faut savoir qu’il fallait remplacer “animaux” dans sa phrase par “organismes” (vu que les bactéries ne sont pas des animaux et qu’au passage on oublie les plantes, les algues, les champignons, les archées, les protozoaires et j’en oublie…). Ensuite, je tilte (faut pas le prendre mal, c’est le mode enseignant qui s’enclenche), sur les formules: animaux les plus évolués. Dans la première partie d’un de mes articles sur les poissons amphibies (http://goo.gl/KPop9 ) je poussais un coup de gueule sur la vue trop répandue d’une échelle de la complexité que les organismes vivants se mettraient à gravir durant l’évolution, et où chaque barreau représenterait un stade évolutif où s’arrêteraient certaines lignées tandis que d’autres continueraient vers l’apogée où, bien entendu, nous les humains, résiderions… Et beh non: les bactéries qui vivent à l’heure actuelle sont “aussi” évoluées que les humains. Ce qui signifie qu’elles sont le résultat d’autant de milliards d’années d’évolution durant lesquelles elles ont accumulées des modifications qui ajoutent à la divergence entre leur lignée et celle qui a mené jusqu’à notre émergence. A vrai dire, si on jaugeait l’évolution par le nombre de modifications accumulées dans un génome, ce sont les bactéries qui devraient être targuées comme ‘plus évoluées’… La confusion vient du fait qu’on associe volontiers les processus d’accumulation de complexité avec les mécanismes évolutifs. Mais ceux-ci s’associent seulement au grès de la sélection naturelle. Et si un jour, une lignée se voit condamnée par une trop grande complexité pour s’adapter à leur milieu ou pour mieux se reproduire, les individus qui perdraient cette complexité viendraient facilement à prédominer la population locale et entrainerait une dé-complexification (encore une fois mal interprétée quand on entend parler de dé-évolution…).

Précision importante, en effet, nous allons d’ailleurs consacrer une émission entière à l’évolution dans deux semaines, juste après avoir consacré une émission entière à un thème non moins important: notre ami Taupo/Pierre Kerner, justement.

Enfin la quote de Mathieu:

“I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics”. – Richard Feynman
Traduction libre: “Je peux affirmer sans risque que personne ne comprend la mécanique quantique” (Richard Feynman était sans doute l’autorité la plus respectée du domaine… de la mécanique quantique!)

Prochain enregistrement en direct du World Science Festival de New York (et bien sûr de Barcelone), rien que ça! Bonne semaine!

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Dossier – La Lumière

On 26.05.2011, in Dossiers, by Mathieu
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Il n’est pas facile de définir la lumière, car elle peut être représentée de deux façon différentes:

  • Nature ondulatoire.
  • Nature corpusculaire (particule).

La métaphore du cylindre est l’exemple d’un objet ayant des propriétés apparemment inconciliables. Il serait à première vue incongru d’affirmer qu’un objet a à la fois les propriétés d’un cercle et d’un rectangle; sur un plan (au sens géométrique), un objet est soit un cercle, soit un rectangle. Mais si l’on considère un cylindre : une projection dans l’axe du cylindre donne un cercle (source lumineuse dans l’axe projette une ombre en cercle sur un mur), et une projection perpendiculairement à cet axe donne un rectangle (source lumineuse perpendiculaire à l’axe projette un ombre rectangle sur un mur). On a donc bien un objet ayant les propriétés d’un cercle et d’un rectangle (mais il n’est ni l’un, ni l’autre).

Dualité

Quand on dit que la lumière est à la fois onde et particule, ce sont des manières de voir les choses et non pas les choses en elles-même, ce sont des représentations.

Nature ondulatoire

La lumière visible est composée de l’ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l’oeil humain, c’est-à-dire comprises dans des longueurs d’onde situées entre le violet et le rouge.

Outre la lumière visible, par extension, on appelle aussi parfois « lumière » d’autres ondes électromagnétiques, telles que celles situées dans les domaines de fréquences de l’ultraviolet et de l’infrarouge.

Spectre optique

Ce sont les travaux sur l’életromagnétisme de James Clerk Maxwell aboutis en 1873 qui permettent d’expliquer le phénomène ondulatoire de la lumière. Il définit la lumière comme une onde qui se propage sous la forme d’un rayonnement électromagnétique (le rayonnement électromagnétique est une variation des champs électriques et magnétiques). Maxwell a montré que la lumière peut être modélisée par un champ électromagnétique (qui se propage dans une direction perpendiculaire à lui-même). Lorsque ce champ a une fréquence bien déterminée, l’onde associée peut être caractérisée par sa longueur d’onde qui dépend, d’ailleurs, du milieu où elle se propage. Dans le cas de la lumière visible, la couleur perçue par le cerveau, via l’œil, est la manifestation de la fréquence et non de la longueur d’onde (la diffraction, les interférences ou la polarisation nécessitent de prendre en compte la nature ondulatoire de la lumière).

Le spectre du rayonnement lumineux visible n’est qu’une partie de l’ensemble du rayonnement électromagnétique, beaucoup plus large : infrarouge, ultraviolet, ondes radio, rayons X, les rayons γ

Spèctre

Ce sont les fameuse équations de Maxwell qui permettent de développer une théorie générale de l’électromagnétisme. Elles permettent d’expliquer aussi bien la propagation de la lumière que le fonctionnement d’un électroaimant. Ces équations de Maxwell constituent des lois fondamentales de la physique et sont des postulats de base de l’électromagnétisme. Elles décrivent la force électromagnétique, qui est l’une des 4 forces fondamentales de l’Univers.

Nature corpusculaire

C’est Newton qui avait développé au départ une théorie purement corpusculaire de la lumière. Plus tard, la physique du XXéme siècle a montré que l’énergie transportée par la lumière est quantifiée grâce à des particules qu’on appelle photons. Le concept de photon a été développé par Albert Einstein entre 1905 et 1917 pour expliquer des observations expérimentales qui ne pouvaient être comprises dans le cadre d’un modèle ondulatoire classique de la lumière. Il a ainsi montré que parallèlement à son comportement ondulatoire — interférences et diffraction —, la propagation du champ électromagnétique présente simultanément des propriétés corpusculaires. On appelle photon:

  • le quantum d’énergie, c’est à dire la plus petite quantité d’énergie, indivisible, qui compose la lumière.
  • le photon peut être représenté comme une particule porteuse d’énergie, mais dépourvue de masse!

Le pénomène de rayonnement ou radiation en physique désigne le processus d’émission ou de transmission d’énergie impliquant une particule porteuse. Le rayonnement électromagnétique a comme vecteur le photon. À chaque type de radiation correspond sa particule porteuse : le photon pour le rayonnement électromagnétique, ou les particules alphabêta ou neutron pour respectivement les rayonnement alphabêta ou neutronique

Dualité onde-particule

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l’énergie d’une onde lumineuse dépend seulement de l’amplitude de l’onde, mais pas de sa fréquence. Or de nombreuses expériences indiquent que l’énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l’amplitude. En 1905, Albert Einstein réconcilia la théorie de Maxwell avec celle de Newton : il expliqua l’effet photoélectrique, un effet dans lequel la lumière n’agit pas en tant qu’onde, mais en postulant l’existence des photons. L’effet laser s’explique aussi en terme de photons. Einstein postula que la fréquence ν de la lumière, est liée à l’énergie E des photons.

Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en termes de fréquence ν (ou période T), de longueur d’onde λ associée ou d’énergie des photons E.

Spectre onde electromagnetique

Mise en évidence de la dualité grâce aux fentes de Young

Une des manières les plus claires de mettre en évidence la dualité onde-particule est l’expérience des fentes de Young. Cette expérience est connue depuis le XIXe siècle, où elle a d’abord mis clairement en évidence l’aspect purement ondulatoire de la lumière. Modifiée de manière adéquate, elle peut démontrer de manière spectaculaire la dualité onde-corpuscule de la lumière.

L’expérience consiste à éclairer par une source lumineuse un écran percé de deux fentes très fines et très rapprochées. Ces deux fentes se comportent comme deux sources secondaires d’émission lumineuse. Une plaque photographique placée derrière l’écran enregistre la lumière issue des deux fentes.

Fentes de Young

 

Ces deux sources interfèrent et forment sur la plaque photographique des franges lumineuses que l’on appelle une figure d’interférence. Cette figure est caractéristique d’un comportement ondulatoire de la lumière. Si l’expérience en reste à ce niveau, l’aspect corpusculaire n’apparaît pas.

Interférences

En fait, il est possible de diminuer l’intensité lumineuse de la source primaire de manière à ce que la lumière soit émise photon par photon. Le comportement de la lumière devient alors inexplicable sans faire appel à la dualité onde-corpuscule. Si on remplace la source lumineuse par un canon qui tire des micro-billes à travers les deux fentes, donc de “vraies” particules, on n’obtient aucune figure d’interférence, mais simplement une zone plus dense, en face des fentes, correspondant aux impacts des micro-billes. Or, dans le cas d’une émission lumineuse de faible intensité et envoyée par une sorte de canon à photons, on constate que l’impact de la lumière sur l’écran est marqué de la même manière que les micro-billes. Au fur et à mesure que les impacts augmentent sur la plaque photographique, on retrouve petit à petit une figure d’interférence reconstituée par l’ensemble des impacts des photons. On retrouve donc une figure d’interférence caractéristique des ondes, en même temps qu’un aspect corpusculaire des impacts sur la plaque photographique.

L’interprétation de cette expérience est difficile, car si on considère la lumière comme une onde, alors les points d’impacts sur la plaque photographique sont inexplicables; on devrait voir dans ce cas très faiblement, dès les premiers instants, la figure d’interférence, puis la voire de plus en plus intense. Au contraire, si on considère la lumière comme étant exclusivement composée de particules, alors les impacts sur la plaque photographique s’expliquent aisément, mais la figure d’interférence qui se crée peu à peu ne s’explique pas : comment et pourquoi certaines zones seraient privilégiées et d’autres interdites à ces particules ?

L’existence du photon ne contredit pas la théorie ondulatoire, au contraire : en mécanique quantique, la dualité onde-particule (ou onde-corpuscule) dit qu’à chacune des particules est associée une onde. Cette onde est appelée fonction d’onde de la particule, et c’est elle qui code la densité de probabilité des variables mesurables de la particule.  Si on considère le déplacement d’un unique photon (la position du photon est l’une des variables de la particule), les points d’arrivée possibles sont donnés sous forme de probabilités par l’onde associée. Sur un très grand nombre de photons, chaque lieu d’arrivée est illuminé avec une intensité proportionnelle à la probabilité de chacun des photons… ce qui correspond au résultat de la figure d’interférence de la théorie classique ondulatoire.

Sur la plaque photographique de l’expérience des fentes de Young, il se produit ce que l’on appelle une réduction du paquet d’onde, ou une décohérence de la fonction d’onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d’onde: élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d’autres (franges sombres).

Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique:

  • Jusqu’à ce qu’une observation soit faite, la position d’une particule est décrite en termes d’ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.

La lumière est donc considérée comme constituée de photons qui se comportent comme:

  • des corpuscules dans leurs interactions avec la matière.
  • des ondes pour leur propagation.

Optique Géométrique

L’optique géométrique est une approche complémentaire de l’optique ondulatoire et de l’optique quantique. Elle est en revanche plus ancienne, ayant été développée dès l’antiquité. C’est l’optique géométrique, qui reste l’outil le plus flexible et le plus efficace pour expliquer un certain nombre de phénomènes simples liés à la lumière. Par exemple, la lumière incidente sur l’interface entre deux milieux peut être réfléchieréfractée (dispersée) ou absorbée.

Réflexion-Réfraction

Réflexion

La lumière se déplace en ligne droite dans tout milieu transparent, en particulier dans le vide ou l’air. Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse fixe et indépassable d’environ 300’000 km/s. La lumière est un peu plus lente dans l’air, et notablement plus lente dans l’eau.

Le phénomène de réflexion est dû au fait que les rayons lumineux sont déviés (réfléchis) lors de la rencontre d’une surface réfléchissante (miroir). Les rayons lumineux réfléchis le sont tels que l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence sur la surface réfléchissante.

Réfraction

La réfraction survient généralement à l’interface entre deux milieux, ou lors d’un changement de densité du milieu. Les rayons lumineux peuvent changer de trajectoire lors du passage d’un milieu à un autre. Tout milieu homogène dans lequel se propage un rayon lumineux possède un indice de réfraction. En tombant sur une surface (dioptre) séparant le milieu où il se propage (milieu d’incidence) d’un autre milieu possédant un autre indice de réfraction, ça donne naissance, dans ce second milieu, à un rayon qui n’est pas dans son prolongement, qui est dévié: c’est le rayon réfracté. Le fonctionnement des lentilles est basé sur ce phénomène de réfraction de la lumière.

Refraction Verre

Dans l’approche ondulatoire, la réfraction est un phénomène de déviation d’une onde lorsque sa vitesse change entre deux milieux. La vitesse de la lumière n’est pas la même dans les deux milieux. Ce changement de valeur suffit à interpréter le changement de direction de l’onde.

Lorsque la lumière incidente est monochromatique, on parle de simple pénomène de réfraction. Dans le cas de la lumière polychromatique, la réfraction conduit alors à un phénomène plus étendu et généralisé qu’on appelle de dispersion.

Dispersion

La dispersion est le phénomène affectant une onde dans un milieu dans lequel les différentes fréquences constituant l’onde ne se propagent pas à la même vitesse. L’indice de réfraction du milieu n’est pas le même pour toutes les composantes ondulatoires d’un rayon lumineux polychrome. L’indice de réfraction dépend de la longueur d’onde des composantes de la lumière.

Dispersion

Les arcs-en-ciel sont une manifestation de la dispersion induite par réfraction des rayons du soleil par les gouttelettes d’eau en suspension dans l’air.

La lumière blanche peut aussi se décomposer en arc-en-ciel à l’aide d’un prisme de verre. La décomposition de la lumière génère des raies spectrales qui correspondent aux différentes longueurs d’ondes émises. Le terme spectre fut employé pour la première fois en 1666 par Isaac Newton pour se référer à ce phénomène par lequel un prisme de verre peut séparer les couleurs contenues dans la lumière du Soleil. Chaque « couleur spectrale » de cette décomposition correspond à une longueur d’onde précise. Etant donné que l’indice de réfraction n’est pas le même pour les différentes longueurs d’onde d’un faisceau de lumière blanche: le bleu est plus dévié que le jaune, lui-même plus dévié que le rouge…

Dans les expériences du prisme, du point de vue de l’optique géométrique, un prisme est l’association de deux dioptres plans non parallèles (air-verre-air).

prisme

Absorption

L’absorption, en électromagnétisme, désigne un processus physique par lequel l’énergie électromagnétique est transformée en une autre forme d’énergie.

Au niveau des photons, l’absorption représente le phénomène par lequel l’énergie d’un photon est capturée par une autre particule, par exemple par les électrons qui se traduit par une transition entre 2 niveaux d’énergie électronique. Le photon est alors détruit par l’opération, l’énergie électromagnétique est absorbée et transformée en énergie électronique. On voit donc que l’absorption d’un photon peut provoquer des transitions atomiques, c’est-à-dire d’exciter un atome dont l’énergie augmente par la modification de l’orbite d’un de ses électrons. Cette énergie absorbée peut par la suite être:

  • re-transformée en énergie électromagnétique par l’émission de nouveau(x) photon(s). Lorsqu’un atome excité revient à son état d’énergie fondamental, il émet un photon dont l’énergie (et donc la fréquence) correspond à une différence entre deux états d’énergie de l’atome.
  • transformée en agitation particulaire (augmentation de la vitesse de la particule) ce qui se traduit au niveau macroscopique par une augmentation de la température (l’énergie électromagnétique a été transformée en chaleur).

C’est Niels Bohr qui interpréta l’émission de lumière par l’émission d’un photon lorsque l’atome passe d’un niveau d’énergie à un autre. Le spectre d’émission de n’importe quel élément peut être obtenu en chauffant cet élément, puis en analysant le rayonnement émis par la matière. Ce spectre est caractéristique de l’élément. Les photons sont ainsi des « paquets » d’énergie élémentaires, ou quanta de rayonnement électromagnétique, qui sont échangés lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière.

Pour la plupart des substances, le taux d’absorption varie avec la longueur d’onde de la lumière incidente, menant à l‘apparence de couleur dans les pigments qui absorbent certaines longueurs d’onde mais pas d’autres. Par exemple, avec une lumière blanche incidente, un objet qui absorbe les longueurs d’onde dans le bleu, vert et jaune, apparaîtra de couleur rouge. Un matériau de couleur noire absorbe toutes les longueurs d’onde (converties en chaleur), alors qu’un matériau de couleur blanche les réfléchit.

Diffraction

L’optique géométrique qui explique bien la grande partie des phénomènes de réflexion et réfraction ne permet pas d’expliquer tous les phénomènes lumineux. En particulier, elle ne tient pas compte du fait que la lumière est de nature ondulatoire. Lorsque tous les objets qui interagissent avec la lumière ont des tailles caractéristiques grandes devant la longueur d’onde du rayon lumineux alors il est convenable et plus simple d’utiliser l’optique géométrique pour décrire son comportement avec une bonne précision. Mais quand la lumière passe à travers des objets dont la taille est du même ordre de grandeur (voire plus petits) que sa longueur d’onde, alors il n’est plus possible de négliger l’aspect ondulatoire et on entre dans le domaine de l’optique ondulatoire. Deux phénomènes caractéristiques de l’optique ondulatoire, inexplicables dans le contexte de l’optique géométrique, sont les interférences lumineuses (Fentes de Young) et la diffraction.

La diffraction est le phénomène par lequel un rayonnement, comme la lumière, est dévié dans de multiples directions par une interaction avec d’autres objets ou un obstacle. La diffraction décrit donc le comportement des ondes lorsqu’elles rencontrent un obstacle. Elle se manifeste par le fait qu’après la rencontre d’un objet, la densité de l’onde n’est pas conservée selon les lois de l’optique géométrique. La diffraction s’observe avec la lumière, mais également avec le son, les vagues, les rayons X…. Elle est une signature de la nature ondulatoire d’un phénomène.

On parle d’interférence lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l’une avec l’autre. La diffraction est le résultat de l’interférence des ondes diffusées par chaque point.

Diffraction

Exemple Pratique: Miroir et Photon

Soit un miroir avec un pouvoir réflecteur de 90 % (on considère qu’on reste dans le cadre la lumière visible humaine). Une source envoie simultanément 100 photons à la même fréquence contre ce miroir. Que va-t-il se passer?

  • Le miroir va réfléchir 90 photons et en absorber 10 (l’absorption des 10 photons pourrait se traduire par une petite augmentation de chaleur du miroir).

Sur quel critère 10% des photons vont passer à la “trappe” et vont être absorbé s’ils sont tous semblables. Qu’est ce qui va etre déterminant sur le choix des photons à réfléchir et ceux qui vont être absorbé ?

  • Sur la base de la nature corpusculaire de la lumière dont l’essence est intrinséquement probabiliste selon la mécanique quantique, le photon aura 9 chances sur 10 d’être réfléchi et 1 chance sur 10 d’être absorbé.

Un autre question plus tordue: un seul photon est émis, et envoyé à la rencontre du miroir. Celà voudrait-il dire que 0,9 photon est réfléchi et 0,1 est absorbé? Qu’est ce que 0,9 photon?

  • A nouveau, le photon aura 9 chances sur 10 d’être réfléchi, et 1 chance sur 10 d’être absorbé.

Ce qu’il faut savoir c’est que en réalité, ça n’a même pas de sens de se demander “lesquels” des 100 photons sont réfléchis et lesquels sont absorbés, parce qu’on ne peut pas les individualiser. Il faut plutot imaginer l’état d’un champ composés de 100 photons. Ce champs va évoluer vers un nouvel état composés de 90 photons réfléchis, l’énergie manquante ayant été absorbée. La même idée peut être expliqué dans le fonctionnement des comptes bancaires: c’est comme si la banque prélevait 10 euros de frais et commission sur 100 euros déposés sur un compte… on ne se pose pas la questions sur quels sont les euros parmi les 100 qui ont été prélevés!

Sources:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8re

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Photon

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dualit%C3%A9_onde-particule

http://fr.wikipedia.org/wiki/Optique_g%C3%A9om%C3%A9trique

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9fraction_des_ondes

http://fr.wikipedia.org/wiki/Absorption_(optique)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dispersion

http://fr.wikipedia.org/wiki/Diffraction

http://forums.futura-sciences.com/physique/268537-miroir-photon-oeoeoeoemoi-2-autres-menervent.html

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Dossier – La synesthésie

On 21.04.2011, in Dossiers, by Mathieu
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Qu’est-ce que la synesthésie

Synesthésie

  • La synesthésie est un phénomène neurologique par lequel deux ou plusieurs sens sont associés.
  • La synesthésie est une fusion de sensations, de percéptions et d’émotions.
  • Par exemple:
    • les lettres de l’alphabet ou nombres peuvent être perçus colorés (synesthésie graphèmes→ couleurs).
    • les nombres sont automatiquement et systématiquement associés avec des positions dans l’espace (synesthésie numérique).
    • les nombres, jours de la semaine, mois de l’année évoquent des caractères de personnalité (synesthésie de personnification).
    • la musique et d’autres sons peuvent être perçus colorés, ou ayant une forme particulière.
  • La synesthésie impliquant des formes et couleurs est plutôt répandue, alors que la synesthésie impliquant des goûts et odeurs est plutôt rare.
  • Une personne atteinte de synesthésie est appelée synesthète.
  • Bien que ce phénomène capta pour la première fois l’intérêt de la communauté scientifique au XIXème siècle, c’est seulement à partir de 1980 que les scientifiques commencèrent à réexaminer sérieusement ce phénomène fascinant.
  • Une synesthésie d’origine neurologique (involontaire) concernerait une personne sur 23, soit environ 4 % de la population.
  • Concernant l’origine de la synesthésie, il y aurait un facteur génétique probable, la synesthésie semble se transmettre par hérédité.
    • Il y a eu des cas de vrais jumeaux dans lesquels un seul jumeau était synesthète.
    • La synesthésie peut aussi sauter des générations dans une famille.
    • De plus, il est commun que les synesthètes d’une même famille présentent différents types de synesthésie, ce qui suggère que le gène ou les gènes impliqués dans le développement de la synesthésie n’entraînent pas des types spécifiques de synesthésie.
  • Se remémorant une expérience de son enfance, la synesthète Patricia Lynne Duffy écrivait :
    • « Un jour, je dis à mon père, “Je viens de me rendre compte que pour écrire la lettre “R”, tout ce que j’ai à faire est de dessiner un “P”, et ensuite une ligne partant de sa boucle.” Et j’étais tellement surprise de constater que je pouvais transformer une lettre jaune en une lettre orange, juste en ajoutant une ligne. »

Les différents types de synesthésie

 

Synesthesie_Musique_Couleur

  • Du fait de la grande variété de types de synesthésies, les chercheurs ont adopté une convention indiquant le type de synesthésie en utilisant la notation x → y, dans laquelle x est le déclencheur de l’expérience synesthétique, et y est l’expérience additionnelle.
    • Par exemple, percevoir les lettres et nombres (graphèmes) en couleurs indiquerait une synesthésie graphèmes → couleurs.
    • De la même façon, lorsque des synesthètes voient des couleurs et mouvements en écoutant de la musique, il s’agit d’une synesthésie sons → couleurs, mouvements.
  • Alors que presque toutes les combinaisons de sens sont théoriquement possibles, certaines catégories de synesthésie sont plus répandus que d’autres.
  • On classe la synesthésie en différents types:
    • Synesthésie graphèmes → couleurs:
      • Il s’agit d’un des types de synesthésie les plus répandus.
      • Les lettres individuelles de l’alphabet, ainsi que les nombres sont “teintés” d’une certaine couleur.
      • Deux synesthètes ne vont pas rapporter forcément les mêmes couleurs pour toutes les lettres et nombres, cependant des études montrent que certaines tendances se répètent (par exemple, la lettre A est souvent rouge chez les synesthètes anglophones).
      • Pour un synesthète graphèmes → couleurs:
        • si on lui demande de fermer les yeux et on lui récite rapidemment une suite de chiffres, il visualisera un arc-en-ciel.
        • les lettres d’un texte formeront aussi un arc-en-ciel lorsqu’il le lit.
      • La synesthésie graphèmes → couleurs paraît plus forte dans l’usage d’une langue dont l’orthographe est phonétique (breton, espagnol, allemand, etc.) plutôt que dans d’autres où les sonorités d’une lettre varient suivant son contexte (anglais) ou si les combinaisons de lettres modifient la sonorité (français, ex “ho” et “eau”).
      • On a aussi remarqué dans ce type de synesthésie que certaines personnes voient le chiffre arabe dans une certaine couleur, mais pas le chiffre romain correspondant.
      • Il semble donc que ce soit la forme écrite expressément qui fasse surgir la couleur.
    • Synesthésie musique → couleurs:
      • Dans ce cas, des couleurs sont perçues en réponse à des sons.
      • Les synesthètes rapportent rarement les mêmes couleurs pour des tons donnés (pour un synesthète, un la dièse peut être rouge ; pour un autre synesthète, il sera vert).
      • Cependant, les synesthètes sont constants : testé des mois plus tard, un synesthète va rapporter les mêmes expériences qu’il avait précédemment rapportées.
      • Les synesthètes musique → couleurs, à la différence des synesthètes graphèmes → couleurs, rapportent souvent que les couleurs se modulent, ou se déplacent dans leur champ de vision.
    • Synesthésie numérique:
      • Il s’agit d’une carte mentale des nombres qui apparaît automatiquement et involontairement lorsque le synesthète en question pense à des nombres ou des unités temporelles.
      • Ainsi, les nombres peuvent être alignés selon un axe montant, et les mois de l’année peuvent former un demi-cercle.
      • Le synesthète va alors faire des associations numériques/spatiales.
      • Il a été suggéré que ces “cartes numériques” sont le résultat d’une activation croisée entre les régions du lobe pariétal qui sont impliquées dans la cognition numérique et spatiale. Les chercheurs en cognition numérique ont commencé à explorer ce type de synesthésie pour les aperçus qu’il peut donner sur les mécanismes neurologiques des associations numériques/spatiales présentes inconsciemment en chacun de nous.
    • Synesthésie lexicale → gustative:
      • Un type peu répandu de synesthésie.
      • Les mots individuels ainsi que les phonèmes du langage parlé évoquent des sensations de goûts dans la bouche.
      • À chaque fois que ce type de synesthète entends, lis, ou pense à des mots/syllabes, il perçoit une sensation de goût immédiate et involontaire sur sa langue.
      • Le synesthète qui entend un son ressentira des goûts sur la langue (salé, amer, sucré…).
      • Ces associations de goût très spécifiques ne changent jamais et restent les mêmes.
      • On s’est rendu compte que les associations synesthétiques sont conditionnées par l’alimentation du sujet lors de son enfance. Par exemple, le synesthète James Wannerton n’a pas de perceptions synesthétiques impliquant du café ou du curry, alors qu’il en prend régulièrement à l’âge adulte. Par contre, il expérimente des perceptions synesthétiques gustatives de certaines marques de céréales et bonbons qui ne sont plus vendus à l’heure actuelle, mais qu’il mangeait assez régulièrement dans son enfance.
    • Synesthésie de personnification:
      • La personnification ordinale/linguistique est un type de synesthésie dans lequel des séquences, comme les nombres, les jours de la semaine, les mois et lettres sont associés avec des caractères de personnalité.
      • La lettre “T” est généralement peu charitable; le “U” est une chose sans âme; le “4″ est honnête; au “3″ on ne peut pas lui faire confiance; le “9″ est sombre; le “I” est parfois angoissé, même s’il est plutôt enjoué; le “J” est un homme, blagueur à première vue, mais avec une forte personnalité; le “K” est une femme, silencieuse et responsable.
      • Pour certaines personnes, outre les séquences de nombres ou de lettres, les objets sont parfois imbibés de personnalité, ce qui est parfois comparé à une forme d’animisme.
    • Autres formes plus rares de synesthésie:
      • Cas du synesthète qui touche un texture particulière et ressent une émotion:
        • Le denim des jeans, de la tristesse extrême.
        • Une pelure d’orange, un choc.
        • De la soie, le calme.
        • Du papier de verre, de la culpabilité.
        • Du papier de verre plus épais, la sensation de raconter un mensonge.
  • Malgré ces cas généraux qui permettent la définition du phénomène de la synesthésie, on ne doit cependant pas oublier que les expériences individuelles varient de nombreuses façons:
    • Certains synesthètes graphèmes → couleurs déclarent que leurs couleurs semblent “projetées” à l’extérieur.
    • D’autres déclarent que leurs couleurs sont perçues “dans leur tête”.
    • Certains synesthètes déclarent que leurs voyelles sont davantage colorées, alors que pour d’autres il s’agit des consonnes.

Etudes neurologiques

 

Synesthésie Mot Couleur

  • Il n’existe pas encore de concensus au sein de la communauté neuroscientifique pour expliquer le fonctionnement neurologique de la synesthésie.
  • Les différents types de synesthésie ne facilitent non plus pas la tâche pour mettre en place une explication globale.
  • Le neurologue Ramachandran est un des pionniers dans l’étude des différentes formes de synesthésie.
    • Il réalisa une expérience très simple et ingénieuse afin d’explorer la perception des synesthésies.
    • Sur une image présentée durant moins d’une demi-seconde sur un écran d’ordinateur, il y a un mélange de chiffres 5 et de chiffres 2.
    • Le chiffre 2 étant imprimé comme une image en miroir exacte du 5.
    • Mais les chiffres 2 sont disposés sur l’écran d’un manière particulière par rapport au chiffre 5, ils sont disposés de telle manière qu’ils dessinent entre eux une forme particulière, soit un cercle ou soit un triangle.
    • Dans un temps très court (1 demi-seconde), il n’est pas possible de distinguer et reconnaître sur une image des formes globales composées par des chiffres.
    • Personnes non-synesthétiques:
      • En 1 demi-seconde, les personnes non-synesthésiques répondent au hasard, cercle ou triangle, et se trompent une fois sur deux.
      • En revanche si on colore les chiffres 2,  la forme qu’ils dessinent ensemble, cercle ou triangle, saute aux yeux.
      • L’être humain groupe automatiquement les couleurs.
      • Lorsque les chiffres 2 sont colorés, les personnes non-synesthétiques répondent correctement cercle ou triangle dans 80%-90% des cas.
    • Personnes synesthétiques:
      • Lorsqu’on présente à des personnes ayant une synesthésie les chiffres non colorés, elles répondent correctement de 80%-90% des cas.
      • Elles ne colorent pas mentalement des chiffres qu’elles auraient d’abords reconnus à leur forme, noir sur blanc, elles voient réellement ces chiffres en couleur.
      • Il semble s’agir d’un véritable phénomène de perception sensorielle.
      • Parfois elles peuvent même détecter la forme globale, cercle ou triangle, avant même d’avoir perçu la couleur, ce qui suggère que la couleur est perçue de manière inconsciente.
  • Dans le cas de la synesthésie graphèmes → couleurs, on évoque le fait que les régions du cerveau impliquées dans l’identification de la forme des lettres et des chiffres sont adjacentes à la région impliquée dans le traitement des couleurs (aire V4).
  • L’expérience additionnelle de voir des couleurs en regardant des graphèmes peut être due à une activation croisée de ces régions (cross activation).
  • La vision d’un chiffre écrit noir sur blanc active donc chez les personnes synesthétiques non seulement l’air de la reconnaissance des chiffres, mais aussi l’aire V4 de la percéption des couleurs.
  • Cas du synesthète qui ne voit pas certaines couleurs:
    • Dans la rétine de l’oeil, on trouve des cellules en forme de cônes réceptrices à la lumière et qui contiennent des pigments qui permettent de détecter les couleurs.
    • Trois types de pigments, l’un répond au rouge, l’autre au vert, et le troisième au bleu.
    • Il existe des personnes chez qui un ou deux de ces pigments sont absents depuis la naissance, elles ne distinguent alors pas certaines couleurs.
    • L’une de ces personnes qui ne percevait pas toutes les couleurs et qui avait aussi une synesthésie chiffre  couleur voyait certains chiffres dans des couleurs qu’elle n’avait jamais vu dans son environnement et dans le monde qui l’entoure.
    • Comment peut-on voir sur des chiffres écrits en noir sur un fond blanc des couleurs auxquelles la rétine est incapable de répondre?
    • La rétine de cette personne ne pouvait répondre à certaines longueurs d’onde de la lumière en raison de l’absence du pigment correspondant.
    • Mais dans son cerveau l’aire V4 qui recompose les couleurs en réponse aux influx nerveux reçus de la rétine était intacte.
    • Cette aire V4 des couleurs était activée, non pas par les influx nerveux provenant de la rétine, mais par la vision de la forme des chiffres (liée à l’aire de reconnaissance des forme des chiffres et des lettres).
    • Ce lien entre la forme des chiffres et leur couleur révèle la capacité du cerveau à inventer des couleurs, à les faire surgir indépendemment des influx nerveux envoyés par la rétine.
    • Certaines couleurs invisibles par la rétine ne naissent pas des longueurs d’onde de la lumière, mais de la forme de chiffres écrits en noir sur blanc !
    • Ce phénomène nous amène à nous poser la question suivante:
      • Comment expliquer à quelqu’un qu’on voit une couleur qui n’est renvoyée par aucun objet autour de soi, sauf par un chiffre que l’autre personne voit en noir sur blanc?
      • Comment expliquer la couleur de cette couleur à qui ne la voit pas?
    • Ramachandran nous dit aussi que:
      • Les synesthésies provoquent chez la plupart des personnes qui les ressente de la joie, du plaisir.
      • Elles sont pour ces personnes une richesse, elles sont comme un sens supplémentaire.
      • Certaines personnes ayant fait une dépression ont perdu temporairement leur faculté de synesthésie.
      • Leur monde leur a semblé alors plus triste, plus plat, plus vide, plus banal…

Conclusion

  • Quelques synesthètes célèbres:
  • Comme le mentionne le neurologue Ramachandran, les personnes vivant une synesthésie font du monde qui nous paraît ordinaire, une expérience extraordinaire:
    • elles semblent habiter un étrange territoire, un no man’s land entre réalité et imaginaire.
    • elles peuvent voir des sons, goûter des couleurs, entendre des formes ou toucher des émotions.

Synesthésie Piano

Sources:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Synesth%C3%A9sie

http://sites.radiofrance.fr/franceinter/em/sur-les-epaules-de-darwin/commentaire.php?id=101280

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Bonjour à toutes et à tous,

Episode court et mouvementé cette semaine. Pas d’Anh Tuan au moment de l’enregistrement: il était aux urgences avec une personne de sa famille, accidentée. Heureusement, tout est bien qui finit bien, mais il n’a pas pu participer à cet épisode.

Puis coupure de courant chez Mathieu au moment où nous allions démarrer… Mathieu a dû se rendre dans un cybercafé pour pouvoir se connecter… Bref, du coup, on a fait court, light dans l’atmosphère chaleureuse d’un café catalan.

  • Des petites nouvelles du CERN d’abord: nous en sommes à 26 inscrits pour 24 places. Alors si jamais quelqu’un ne veut/peut plus venir, merci de libérer la place :)
  • Un extrait des nouvelles  que vous avez partagées sur facebook, twitter ou envoyées par signaux de fumée:
    • Beaucoup de réactions encourageants suite au gros dossier de la semaine dernière, sur le site et sur knowtex. Un tout grand merci!
    • La proposition la plus incongrue qu’on nous ait faite:  Jean-Pierre sur Facebook “J’ai 62 ans et, curieux des Sciences, votre vulgarisation cool me comble. Puis-je adopter l’un de vous ?” :)
    • Des tonnes de news, proposées essentiellement par Forza Pedro, Olivier Tripet et Xavier Agnès, allant des vents solaires à l’énergie noire, un wiki pour référencer les wiki en biologie, une pseudo-science: la cryptozoologie, l’abbé qui a inventé le terme de Big Bang (abbé Lemaitre), des exercices de maths, un scoop: l’antimatière lévite! Des réflexions sur un univers à 4 dimensions, les mini-trous noirs de Jean-Pierre Luminet… L’amarrage de l’ATV2 à l’ISS (c’était en live), un billet sur les mécanismes de l’oubli, les fluides non-newtonniens, un plug pour le no hors-série de philosophie magazine sur le cosmos des philosophes, un lien sur le dernier 36.9 qui portait notamment sur la plasticité neuronale illustrée par la vision retrouvée d’une personne aveugle (dont les zones cérébrales de la vision sont détruites… Episode génial), le décollage de la navette vu d’avion, une animation géniale montrant comment l’araignée tisse sa toile ou encore la distance terre-lune à l’échelle…  Tout ça sur notre page Facebook, une mine d’or!
    • Sur  Facebook toujours: notre ami François Udrea nous propose
      1. de réécouter les podcasts des conférences du jardin des sciences (de l’Université de Strasbourg), notamment les épisodes sur le LHC, même s’ils datent un peu (octobre 2008);
      2. “Bonjour, à ceux qui s’intéresse à l’astronomie je signale les “Rencontres Astronomique du Printemps” une (ou la) plus forte concentration d’instruments d’observation en Europe, il y a aussi des conférences. Attention ce n’est pas une manifestation publique il faut s’inscrire ! plus de détails sur http://www.astrorap.fr/
    • Sur Twitter,
    • Et enfin un petit coucou à Vincent de Zürich qui a convaincu sa maman, de Genève, 64 ans de nous écouter sur Itunes. Elle nous adore! Une bise à la maman de Vincent :)
    • Une dernière chose à signaler, le podcast “les années-lumière” sur Radio Canada, proposé par JxM (feed rss: http://rss.radio-canada.ca/balado/radio/lumiere.xml, lien itunes: itpc://rss.radio-canada.ca/balado/radio/lumiere.xml

Les dossiers de la semaine:

Last but not least, la QUOOOOTE!

Madurar es darte cuenta de que ya no vas a ser astronauta (ChumelTorres sur Twitter)

Traduction: Devenir adulte, c’est réaliser que l’on ne va jamais être astronaute.

Semaine prochaine, un double épisode pour compenser, c’est promis!

(prochains enregistrements le vendredi 11 mars 2011)

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Pourquoi la mer est-elle bleue?

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océan

Introduction

  • On constate aisément que l’eau qu’on se sert dans un verre ou celle qu’on utilise pour se laver les mains est transparente.
  • Mais on remarque aussi que l’eau douce d’un lac ou l’eau salée de mer ou d’un océan est de couleur bleue.
  • On a l’habitude de manière erronée d’expliquer que l’on voit les grandes étendues d’eau de couleur bleue à cause de sa superficie qui reflèterait la lumière du ciel, ou encore à cause d’une substance dissoute dans l’eau qui lui donnerait cette couleur, mais c’est en partie une légende urbaine.
    • On estime que dans un cas idéal, d’une mer calme sous un ciel bleu d’été, la contribution du bleu du ciel dans la couleur de l’eau s’élève au maximum à 2%.
  • On voit les océans de couleur bleue, simplement car l’eau est de couleur bleue, bienque dans certains cas (verre d’eau) on peut la percevoir autrement.
  • Certains facteurs peuvent affecter notre pérception de la couleur de l’eau:
    • la présence de sédiments de couleur marron dans les fleuves et rivières.
    • une grande concentration de minéraux ou métaux lourds.
    • la présence d’algues peut donner une couleur verte à l’eau.

La lumière du Soleil

  • On sait que la lumière blanche qui nous parvient du Soleil est en réalité composée de toutes les fréquences du spectre visible.
    • Observé par Isaac Newton lors de son expérience d’un rayon de lumière au-travers d’un prisme en verre.
  • Chaque fréquence qui compose la lumière du Soleil correspond à une couleur du spectre de l’arc-en-ciel, du violet jusqu’au rouge en passant par le bleu, le vert, le jaune et l’orange.
  • Lorsque la lumière blanche incidente atteint un objet, celui-ci absorbe un ensemble déterminé de couleurs (de fréquences):
    • une partie de la lumière est absorbée par l’objet, et le reste de la lumière non absobée est transmise, réfléchie ou dispersée.
    • Par exemple, si les feuilles d’un arbre sont vertes, c’est parce qu’elles absorbent toutes les couleurs du spectre visible, sauf la couleur verte (ou la fréquence correspondant à la couleur verte) qui est réfléchie et que nous pouvons percevoir grâce à nos yeux.

prisme

Spectre optique

Le cas de l’eau

Dans le cas de l’eau, si l’on considère uniquement la partie visible du spectre:

  • Elle absorbe principalement les couleur de basse fréquence (celles associées au rouge et à l’orange).
  • Elle transmet intégralement la couleur bleue.
  • Mais pour que nous puissions voir la couleur bleue depuis l’extérieur de l’eau, il faut que quelque chose puisse nous retourner ces rayons bleus à la superficie:
    • c’est grâce au phénomène de diffusion: le phénomène par lequel un rayonnement, comme la lumière, est dévié dans de multiples directions par une interaction avec d’autres objets.
    • Dans le cas de l’eau, la lumière bleue est alors dispersée dans toutes les directions par des particules se trouvant en suspension dans l’eau et aussi par les propres molécules d’eau elles-même, permettant ainsi qu’on puisse percevoir l’eau bleue depuis l’extérieur de l’eau.
  • Un rayon de lumière qui voyage au-travers d’une grande masse d’eau est donc privé des tons rouges et sera perçu comme un ton bleu.
  • Une conséquence curieuse à ce phénomène est que les poissons et objets qui sont rouges hors de l’eau, sont perçus comme noirs au fond de la mer.
    • La lumière qui les atteint ne possède plus la couleur rouge, qui a été absorbée par l’eau, et ils ne peuvent donc pas la refléchir.
    • Un plongeur verrait ces poissons ou ces objets de couleur noire, ils absorbent toute les fréquences de la lumière incidente qui n’on pas été absrobées par l’eau.

Pourquoi voit-on l’eau transaparente dans un verre?

  • L’absorbtion du rouge par l’eau est très faible.
  • Il est nécessaire que le rayon de lumière traverse un grande distance d’eau pour que le rouge soit absorbé.
  • Certaines expériences ont montré qu’avec de l’eau très pure, sa caractéristique de ton bleu est observée à partir d’une colonne d’eau de 3 mètres.
  • C’est pour cette raison que sur une plage, l’eau se voit transparente en bord de mer ou d’un lac, là où la profondeur est faible (on peut voir le fond):
    • elle transmet intégralement toute la lumière (il n’y a pas d’absorbtion de fréquences).
    • plus au large, l’eau devient bleue (des fréquences corrrespondant au rouge on été absorbées).

Les propriétés singulières de l’eau

  • Généralement la propriété de couleur tire son origine dans l’intéraction de la lumière avec les électronsd’une substance ou d’un objet.
    • La lumière incidente (la radiation électro-magnétique) sur un corps permet aux électrons de ce corps d’absorber l’énergie de la radiation incidente.
    • Les électrons acquièrent donc plus d’énergie et sont excités.
    • Mais les éléctrons n’absorbent pas n’importe quelle quantité d’énergie. Ils absorbent uniquement les énergies correspondant à des fréquences particulières, c’est-à-dire ils absorbent uniquement des couleurs particulières.
    • Le reste de la radiation qui n’a pas été absorbée par les électrons est celle qui donne la couleur au corps ou à l’objet.
    • Postérieurement, les électrons excités par le rayonnement lumineux retrouveront leur état énergétique initial en retournant l’énergie absorbée via l’émission d’une nouvelle radiation de basse fréquence, dans la gamme des infrarouges.
  • La couleur de l’eau ne se génère pas de cette manière:
    • La radiation incidente absorbée est principalement utilisée pour faire vibrer les molécules d’eau, et non pour exciter ses électrons.
    • Uniquement l’absorbtion des fréquences associées à la couleur rouge a lieu lors de l’activation des vibrations moléculaires de l’eau.
    • Les molécules d’autres substances peuvent aussi vibrer plus rapidemment lors de l’absorbtion d’une radiation, mais uniquement dans des gammes de fréquences au-delà de l’infrarouge, hors du spectre visible. Dans ces cas, aucune couleur liée à cette excitation moléculaire n’est donc perçue.

Source:

http://cienciaes.com/oceanos/2011/02/17/agua-azul-planeta-azul/

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