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FAQ : questions souvent posées en physique

  1. deep_turtle

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    FAQ : questions souvent posées en physique

    Bonjour,

    Comme son nom l'indique, ce fil est destiné à contenir quelques réponses à des questions souvent posées sur ce forum, ou des informations sur des sujets souvent abordés. Il contiendra notamment des pistes bibliographiques suggérées par les forumeurs.

    #2 : théorie des cordes : pistes bibliographiques
    #3 : Les électrons tournent-ils autour du noyau atomique ?
    #4 : Que se passerait-il si j'avais une vitesse nulle par rapport à un photon?
    #5 : De l'infini en physique.
    #6 : Que veut dire E=mc2 ?
    #7 : c'est quoi un photon ?
    #8 : la masse dépend elle de la vitesse ?
    #9 : c'est quoi l'antimatière ?
    #10 : aller plus vite que la lumière en tourniquet ?
    #11 : Pourquoi le ciel est bleu et les nuages blancs ?

    -----

    Dernière modification par Coincoin ; 12/03/2007 à 08h58.
     


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  2. deep_turtle

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    Théorie des cordes : pistes bibliographiques

    Théorie des cordes : pistes bibliographiques

    Une discussion a été lancée ici pour recenser les meilleurs textes sur le sujet, et nous vous y renvoyons.

    En voici une tentative de synthèse (merci humanino, j'ai copié-collé un de tes messages pour démarrer...)

    Livres :

    superstring de Michael B. Green, John H. Schwarz et Edward Witten est l'OUVRAGE de référence.
    string theory de Joseph Polchinski
    Introduction to Superstrings and M-Theory de Michio Kaku.
    A first course in string theory
    An introduction to string theory string and D-brane dynamics
    Quantum field theory of point particles and strings de Brian Hatfield.
    The world in eleven dimensions
    Quantum Fields and Strings: A Course for Mathematicians
    Au bout de la corde, la theorie M

    sur ArXiv:

    Resource Letter NSST-1: The Nature and Status of String Theory, de D. Marolf. Publié dans American Journal of Physics 72 (2004) 730-741 [hep-th/0311044]
    D-branes et orientifolds dans des espaces courbes ou dependant du temps par Nicolas Couchoud [hep-th/0412238]
    Aspects non perturbatifs de la theorie des supercordes B. Pioline (these Polytechnique) [hep-th/9806123]
    TASI Lectures on Perturbative String Theory and Ramond-Ramond Flux [hep-th/0201209]
    Introductory Lectures on D-Branes [hep-th/0109029]
    Lectures on Strings, D-branes and Gauge Theories [hep-th/0003019]
    Lattice Gauge Theories and the AdS/CFT Correspondence [hep-th/0003119]
    D-Branes, Tachyons, and String Field Theory [hep-th/0311017]
    Lectures on D-branes, tachyon condensation, and string field theory [hep-th/0301094]
    Lectures on Calabi-Yau and special Lagrangian geometry [math.DG/0108088]
    Conformal field theory, boundary conditions and applications to string theory
    BUSSTEPP Lectures on String Theory de R. Szabo [hep-th/0207142]
    Introduction to String Theory de T. Mohaupt [hep-th/0207249]
    http://xxx.lanl.gov/abs/hep-th/9612254 [hep-th/9612254]

    Des postscripts et des pdf :

    L’action de Dirac-Born-Infeld: de l’electrodynamique non lineaire a la theorie M PM Petropoulos
    La theorie des supercordes, une theorie qui arrange JB Mouret, G Stordeur, A Thibault
    Etude de la conjecture de Maldacena Rapport de stage de DEA (2002) de S. Caillerie, sous la direction de M Lachieze-Rey.

    Introduction to String Theory, cours multimedia de W. Lerche.
    http://xxx.lanl.gov/abs/hep-ex/0008017 de Schwarz.
    http://www.phys.uu.nl/~thooft/lectures/stringnotes.pdf : le cours de 't Hooft.
    http://staff.science.uva.nl/~rhd/string-course.html le cours de Dijkgraaf.
    http://sciences.ows.ch/physique/TheorieCordes.pdf cours pour débutants par Alexandre Depire.

    sites :

    Warren Siegel
    http://depire.free.fr/publique/THC/Cordes.html : cours pour débutants par Alexandre Depire.
    http://www.superstringtheory.com/
    The Elegant UniverseLe programme TV "The elegant Universe" en ligne.

    voila. je le poste et j'inclus les autres interventions...
    Dernière modification par deep_turtle ; 06/03/2005 à 15h06.
     

  3. Coincoin

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    Les électrons tournent-ils autour du noyau atomique ?

    L'image fréquemment donnée d'un atome est celle d'un petit point (l'électron) tournant autour d'une grosse boule (le noyau). Néammoins, cette vision n'est pas réellement conforme à la mécanique quantique.

    Premiers modèles, premiers problèmes
    L'électron a été découvert par JJ Thompson en 1897. On a alors imaginé que l'atome ressemblait à un cake aux raisins : les électrons sont des petits raisins chargés négativement dans un cake positif. Ce modèle est appelé modèle du pudding (Thompson était anglais).
    En 1911, l'assistant de Thompson, Ernest Rutherford, découvrit en bombardant des atomes qu'ils étaient principalement constitués de vide. Il propose alors un nouveau modèle : l'atome est constitué d'un noyau positif autour duquel tournent les électrons, attirés électrostatiquement . En raison de l'analogie avec le système Terre-Lune ou Terre-Soleil (mais la force étant électrostatique et non gravitationnelle), ce modèle a été appelé modèle planétaire. Ce modèle peut sembler satisfaisant, mais il soulève certains problèmes, qui rendirent perplexes plus d'un physicien de l'époque :
    • l'électromagnétisme (développé à la fin du XIXe siècle) nous apprend qu'une charge subissant une accélération, perd de l'énergie par rayonnement (c'est d'ailleurs le principe utilisé par les synchrotrons). Les physiciens en conclurent donc que, dans le modèle planétaire, l'électron devrait décrire une spirale pour finalement s'écraser sur le noyau. Intrigués, ils calculèrent alors le temps de vie de l'électron autour du noyau : une fraction de seconde. Si on en croit le modèle planétaire, la matière n'est pas stable du tout...
    • les spectres d'absorption et d'émission de la lumière nous apprennent que la matière n'interagit avec la lumière que pour certaines longueurs d'onde spécifiques de chaque élément (raies spectroscopiques). Cet effet n'est pas expliqué par le modèle planétaire.

    Modèle de Bohr
    En 1913, Niels Bohr, physicien danois, propose une version améliorée du modèle planétaire : il postule que seules certaines orbites sont possibles, en disant que le moment cinétique doit être un multiple de la constante de Planck réduite. N'autoriser qu'une quantité dénombrable d'orbites d'exister est ce qu'on appelle une quantification. A partir de ce postulat, on en déduit que si l'électron est sur une orbite autorisée alors il ne peut pas rayonner de manière continue, sinon il se retrouverait sur une orbite intermédiaire entre deux orbites autorisées, ce qui est interdit. Par cet artifice, Bohr explique la stabilité des atomes. De plus, la quantification proposée permet de retrouver les raies des spectres pour l'hydrogène. Mais ce modèle n'est pas pleinement satsifaisant, et il existe encore certains points non-élucidés (effet Zeeman ...)

    La physique quantique
    Durant les années 1920-1930, une nouvelle branche de la physique se développe : la physique quantique. Celle-ci permet de résoudre les problèmes précédents, mais demande d'abandonner des concepts que l'on pensait évidents. Avant tout, les particules ne sont plus considérées comme de simples corpuscules comme en mécanique classique. Une particule n'est plus située en un endroit précis, mais a simplement une probablilité de présence (par exemple, cette particule a une probablité de 1/2 de se trouver dans telle zone). Pour pouvoir parler de la position de cette particule, il faut faire une mesure. De même pour la vitesse. Parler de vitesse ou de position en-dehors d'une mesure n'a pas vraiment de sens. On peut simplement parler de la probabilité de trouver une certaine valeur si on fait la mesure. Là où les choses se compliquent, c'est que la mesure perturbe le système (il faut nécessairement interagir avec le système pour faire une mesure). Ainsi, si on mesure la position puis la vitesse, on ne trouve pas la même chose que si on
    mesure la vitesse avant la position. Vitesse et position sont donc liées. Heisenberg a démontré ainsi que si on appelle l'écart-type de la position par rapport à sa position moyenne, et l'écart-type de la fonction donnant la densité de probabilité pour la vitesse, alors on a l'inégalite dite
    inégalité de Heisenberg : (m est la masse de la particule et h la constante de Planck). Cette inégalité nous dit qu'on ne peut avoir à la fois une position et une vitesse bien déterminées pour une particule quantique. La notion de trajectoire n'a donc plus de sens.
    L'évolution d'un système est donnée par l'équation de Schrödinger. Sa résolution dans le cadre de l'atome d'hydrogène nous permet de retrouver des états quantifiés (et d'expliquer le spectre). Mais l'électron n'est plus décrit comme une petite boule se déplaçant autour de son noyau comme dans le modèle planétaire, mais comme un nuage électronique, avec une densité de probabilité de présence en chaque point de l'espace, et une densité de probabilité de vitesse. Ce nuage électronique remplit plus ou moins l'espace et possède une vitesse, sans pour autant bouger : les notions de la physique quantique peuvent parfois bouleverser notre compréhension intuitive.


    Discussions pertinentes sur le sujet

    électrons
    Cohésion de la matière
    Nucléons et électrons / Pourquoi n'y a-t'il pas effondrement
    électron et noyau


    Sur le sujet de la physique quantique, on pourra aussi se reporter aux dossiers proposés par Futura-Sciences :

    Voyage au coeur de la matière
    Introduction à la physique quantique
    Dernière modification par Coincoin ; 10/05/2005 à 19h44. Motif: Correction...
     

  4. deep_turtle

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    "Que se passerait-il si j'avais une vitesse nulle par rapport à un photon?"

    Cette question revient très souvent sur le forum... C'est cette question qui semble-t-il a suscité la réflexion du jeune Einstein vers la relativité. La réponse à cette question est aujourd'hui absolument claire :

    On ne peut pas se déplacer à la vitesse de la lumière (dans le vide).

    La question, telle qu'elle est posée, n'a donc pas de sens, et insister en se disant "oui mais quand même, que se passerait-il si...", c'est un peu comme se demander quelles seraient les propriétés de deux nombres entiers pairs dont la somme serait un nombre entier impair...

    Il y a plusieurs façons de voir pourquoi cette situation est interdite. Par exemple :

    1/ Tout d'abord, l'énergie d'un corps de masse allant à la vitesse vaut

    Le dénominateur tend vers zéro et donc E tend vers l'infini quand v tend vers c.

    2/ Quand on accélère un observateur, il faut fournir de plus en plus d'énergie pour lui faire gagner de la vitesse, et on s'approche asymptotiquement de la vitesse de la lumière sans jamais l'atteindre.

    Par contre, les corps qui ont une masse nulle se déplacant exactement à la vitesse de la lumière (mais ce ne sont pas des observateurs et de demander ce qu'ils voient n'a pas trop de sens...).

    Finalement, mentionnons que même si un vaisseau disposait d'assez d'énergie pour presque atteindre la vitesse c par rapport à la terre, alors le vaisseau aurait tout de même une vitesse c par rapport à la lumière, tout comme la terre a une vitesse c par rapport à la lumière...
    Dernière modification par deep_turtle ; 22/08/2005 à 11h00. Motif: remarques de Lévesque
     

  5. martini_bird

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    De l'infini en physique

    On entend régulièrement dans le langage courant les expressions "infiniment grand" ou "infiniment petit". Ces raccourcis pour décrire des échelles très grandes ou très petites est à utiliser avec parcimonie et en connaissance de cause.

    En effet, l'infini est un concept mathématique abstrait dont les sciences physiques héritent par ses modèles quantitatifs (i.e. au travers de ses équations). Or la description de certains phénomènes ne se plie pas si docilement à la théorie, qui cesse alors d'être valide.

    Pour illustration, le XXème siècle a vu naître une science des petites échelles (échelle de l'atome, du picomètre[1] au nanomètre[2]): c'est la physique quantique. Cette dernière nous apprend que la nature est très loin de ressembler à l'idéalisation mathématique liée aux nombres et à la notion de continu.

    Par ailleurs et d'une manière générale, la présence dans certaines équations de termes potentiellement infinis gène les physiciens qui tentent de s'en débarasser (cf. les transitions de phase, les singularités en RG, l'histoire de la théorie des cordes).

    Enfin, du point de vue épistémologique, le caractère infini d'une grandeur n'est pas vérifiable: celà échappe donc au critère de réfutabilité de Popper et cesse en conséquence d'être scientifique.

    __________________________
    [1]: picomètre: 10-12m.
    [2]: nanomètre: 10-9m.
    Dernière modification par martini_bird ; 12/05/2005 à 14h57. Motif: Coquilles
     


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  6. deep_turtle

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    Que veut dire E=mc2 ?

    Que veut dire E=mc2 ?

    Cette formule est à la physique ce que les Beatles sont à la musique pop : tout le monde connaît mais ne sait pas forcément dire pourquoi c'est important...

    Cette formule a pour origine la relativité restreinte, et dit qu'à un objet de masse m on peut associer une énergie E, en multipliant la masse par le carré de la vitesse de la lumière c.

    Remarque sur les unités

    Il ne faut pas être surpris d'obtenir une énergie en multipliant une masse par une vitesse au carré, c'est exactement ce qui se passe quand on calcule une énergie cinétique en mécanique non relativiste, . Attention cependant, l'énergie dont nous parlons ici n'est pas du tout l'énergie cinétique d'un corps se déplaçant à la vitesse c (voir un des messages précédents sur ce point).

    Quand s'applique-t-elle ?

    L'énergie donne ce qu'on appelle l'énergie de masse, mais à un corps de masse m sont en général associées d'autres contributions à l'énergie. Notamment, si le corps est en mouvement, il y a de l'énergie cinétique. Il existe plusieurs formules générales qui donnent le total "énergie de masse + énergie cinétique". Par exemple

    ou une autre équivalente

    p est la quantité de mouvement.

    Il y a encore d'autres sortes d'énergie qui ne sont pas prises en compte dans cette formule, comme l'énergie potentielle, qu'il faut encore rajouter s'il y en a.

    A quoi ça sert ?

    Bon, c'est une formule, donc on ne peut pas vraiment dire que ça "serve" à quelque chose. Toutefois, on peut donner quelques exemples physiques où l'on peut s'appuyer sur cette formule...

    Premier exemple : Quand on fait fusionner deux noyaux (par exemple deux noyaux d'hydrogène) en un noyau plus gros (dans cet exemple, un noyau de deuterium), la masse du noyau final est plus petite que la somme des masses initiales . La formule nous indique donc qu'une énergie doit être libérée lors de cette fusion. C'est l'origine de toutes les recherches actuelles sur la fusion en tant que source d'énergie.

    Deuxième exemple : un électron et son antiparticule, le positron, peuvent s'annihiler quand ils se rencontrent. Cette annihilation conduit dans certains cas à l'émission de deux photons, qui transportent l'énergie est la masse de l'électron et du positron (ils ont la même masse).

    ordres de grandeur

    L'énergie de masse d'un électron vaut 511 keV (keV = kilo electron_volt 1 eV vaut joule) soit joule.

    L'énergie de masse d'un cheveu (1mg) vaut 1011 joules, soit de quoi alimenter une ampoule de 100 W pendant 30 ans. Ceci n'est pas très intéressant en pratique, car on ne peut pas transformer directement l'énergie de masse en énergie électrique ou autre...
    Dernière modification par deep_turtle ; 15/04/2008 à 20h43.
     

  7. deep_turtle

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    C'est quoi un photon ?

    On entend souvent dire que la lumière est constituée de photons, ce qui laisserait penser que les photons seraient des "grains de lumière", de la même façon qu'un bol de riz est fait de grains de riz.

    Cette vision des choses n'est pas tout à fait correcte et met sous le tapis plusieurs subtilités liées au concept de photon. Essayons donc de revenir sur cette notion...

    La lumière est une onde électromagnétique

    La lumière est une onde électromagnétique. Elle est habituellement décrite par la théorie de l'électromagnétisme classique qui repose essentiellement sur les équations de Maxwell. Ces équations décrivent la manière dont les champs électriques et magnétiques peuvent s'induire les uns les autres de proche en proche. Toute perturbation du champ électromagnétique conduit à des perturbations dans le voisinage, se propageant dans l'espace à une vitesse bien définie et souvent notée c.

    L'electrodynamique quantique

    Le monde dans lequel nous vivons semble obéir à des lois de nature quantique, et l'électromagnétisme n'échappe pas à cette règle. La lumière, en toute rigueur, doit donc être décrite par la version quantique de l'électromagnétisme qui porte le nom d'électrodynamique quantique. Cette théorie quantique est très différente de la version classique.

    Par exemple, dans la version classique une onde électromagnétique peut avoir une amplitude arbitrairement faible. Par contre, dans la version quantique les perturbations du champ électromagnétique ne peuvent mettre en jeu que certaines énergies E bien précises, reliées à la fréquence f de la perturbation par E=hf où h est la constante de Planck.

    Du coup, l'énergie totale d'une onde est un multiple entier de la quantité élémentaire E=hf. Il en va de même pour la quantité de mouvement et pour le moment cinétique, qui eux aussi apparaissent comme des multiples d'une quantité élémentaire. Tout semble donc se passer comme si les ondes électromagnétiques étaient constituées d'un tas d'objets élémentaires ayant une énergie, une quantité de mouvement et un moment cinétique bien définis. On les appelle des photons.

    Ce que permet de comprendre cette vision

    Cette notion de photons, de granularité de la lumière, permet de comprendre intuitivement un grand nombre de phénomènes : l'effet photo-électrique, les fluctuations statistiques de l'intensité lumineuse dans certaines conditions (le "bruit de photons"), certaines propriétés du rayonnement du corps noir, un grand nombre de propriétés liés à l'interaction entre lumière et matière, ...

    Les problèmes que posent cette vision des choses

    Cette vision pose quand même plusieurs problèmes. Essentiellement, elle peut masquer l'aspect quantique de l'onde électromagnétique. On a tendance à employer à tort le concept de photon comme des objets classiques. C'est oublier que la lumière dans les conditions usuelles ne fait pas intervenir un nombre bien défini de photons, mais se présente sous la forme d'une superposition d'états de nombres de photons différents. La signification du nombre de photons contenus dans une onde lumineuse est donc assez obscure.

    Conclusion

    Il faut donc garder en tête qu'un photon n'est pas une petite "boule de lumière", c'est un objet quantique, dont certaines propriétés ne sont pas si intuitives.
     

  8. deep_turtle

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    la masse dépend elle de la vitesse ?

    On lit parfois qu'en relativité, la masse augmente avec la vitesse.

    La masse est un invariant, elle n'augmente pas avec la vitesse. La notion de "masse relativiste" qui dépend de la vitesse est une notion dépassée que plus personne n'utilise sérieusement, sauf pour s'adresser à des non-scientifiques qui ne peuvent entrer dans les détails.

    La relation fondamentale de la dynamique s'écrit, en relativité,



    ce qui ressemblerait à la formule classique



    si on supposait qu'en relativité, la masse était multipliée par . Toutefois, il n'y a aucune raison d'arranger les équations pour faire ressembler l'équation relativiste à l'équation classique. Cette opératon de cosmétique cache le fait que de toutes façons, toutes les autres quantités ont aussi des sens différents en relativité.

    La réponse courte est donc : "non, la masse n'augmente pas avec la vitesse".

    PS : Merci à Sephi de m'avoir prêté des bouts de phrase et d'idée !
    Dernière modification par deep_turtle ; 09/08/2005 à 07h17.
     

  9. deep_turtle

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    C'est quoi l'antimatière ?

    L'antimatière est le nom général qu'on donne à certaines particules qui ont des propriétés très similaires à celles de la matière, avec quelques petites différences.

    La matière qui nous entoure est faite d'électrons, de neutron et de protons. On connait aussi d'autres particules, non présentes dans la matière mais qui sont créées occasionnellement dans la nature ou par l'homme (voir plus bas). Parmi celles-ci, on trouve une particule qui a la même masse et le même spin que l'électron, mais avec une charge opposée. On l'appelle "positron", c'est l'antiparticule de l'électron, c'est une particule d'antimatière.

    En fait, à toutes les particules correspondent des antiparticules (une des exceptions notables : le photon est sa propre antiparticule), on connait l'antiproton, l'antineutron, etc...

    L'antimatière a-t-elle été observée ou s'agit-il d'une notion théorique ?

    Au départ, c'était une prédiction théorique (Dirac dans les années 1930) mais très rapidement les antiparticules ont été observées. Aujourd'hui on en fabrique dans les accélérateurs de particules.

    Existe-t-elle à l'état naturel ?
    Oui, certaines désintégrations radioactives en créent. On en trouve aussi dans les rayons cosmiques (c'est là qu'on a découvert les premières antiparticules)

    A quoi ça sert ?
    On utilise les positrons en imagerie médicale dans les petscan.

    Pour plus de détails

    voir le dossier Futura-Sciences : Antimatière vous avez dit Antimatière ?
     

  10. deep_turtle

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    aller plus vite que la lumière en tourniquet ?

    Pas mal de gens astucieux imaginent le "truc" suivant pour aller plus vite que la lumière : prendre un disque de grand rayon et le faire tourner assez vite pour que la vitesse donnée par la relation dépasse c, étant la vitesse angulaire.

    C'est une fausse bonne idée, car elle oublie plusieurs points importants :

    1/ un disque est un solide, et sa mise en rotation se fait de proche en proche, quand on se met à tourner le centre, le reste suit avec un retard d'autant plus grand que l'on considère des points éloignés du centre.

    2/ La relation , précisément, n'est plus valable dans cette situation. Plus exactement, la notion de vitesse angulaire devient beaucoup plus subtile dans un contexte relativiste.
    « D'avoir rejeté le néant, j'ai découvert le vide» -- Yves Klein
     

  11. Coincoin

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    Pourquoi le ciel est bleu et les nuages blancs ?

    La lumière provenant du Soleil est globalement blanche. Lorsqu'elle arrive dans l'atmosphère, elle est partiellement diffusée, c'est-à-dire qu'elle est en partie absorbée et réémise dans toutes les directions. La couleur dépend alors du type de diffusion :
    • Lorsque les particules diffusantes sont petites devant la longueur d'onde de la lumière, on parle de diffusion de Rayleigh. Cette diffusion est plus efficace à petite longueur d'onde.
    • Lorsque les particules diffusantes sont plus grandes que la longueur d'onde, on parle de diffusion de Mie. Elle ne dépend que peu de la longueur d'onde.

    Appliquons ça au ciel. La lumière est diffusée par les molécules de l'atmosphère, qui sont bien plus petites que la longueur d'onde (la taille typique d'une molécule est de quelques dixièmes de nanomètres, tandis que la longueur d'onde de la lumière visible se situe entre 400 (bleu) et 800 (rouge) nanomètres). On est donc dans le cadre de la diffusion de Rayleigh. Par conséquent, le bleu (petite longueur d'onde) est plus diffusé que le rouge¹. La lumière qui nous arrive directement du soleil devient de plus en plus rouge, et la lumière du reste du ciel correspond à la lumière diffusée et est bleue. Cet effet est encore plus marqué quand le soleil est bas sur l'horizon, car l'épaisseur d'atmosphère traversée est plus grande : le soleil couchant est donc rouge.
    On peut aussi remarquer que la diffusion Rayleigh n'est pas la même dans toutes les directions : elle est plus faible dans une direction perpendiculaire à la lumière incidente. Cet effet est particulièrement visible en montagne (car on y voit une plus grande portion du ciel) : le ciel est bleu clair (pour ne pas dire "bleu ciel"...) vers le soleil, et d'un bleu plus profond perpendiculairement.

    Maintenant imaginons un nuage qui vient nous gâcher le ciel. La lumière est alors diffusée par des gouttelettes d'eau de quelques microns, donc plus grandes que la longueur d'onde. La diffusion de Mie ne dépendant presque pas de la fréquence, la lumière diffusée est donc de la même couleur que la lumière provenant du soleil. Les nuages sont donc blancs, sauf lorsqu'ils sont illuminés par un soleil couchant où ils reprennent ces couleurs flamboyantes qui nous fascinent tant.


    ¹ En fait, c'est le violet qui est le plus diffusé. Mais la sensibilité de l'oeil est très faible aux trop courtes longueurs d'onde, et le ciel nous paraît donc plutôt bleu.


    Approfondissements :
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusion_des_ondes
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusion_Rayleigh
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9orie_de_Mie
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Couleur_du_ciel
    Encore une victoire de Canard !
     


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