Les arcs-en-ciel montrent comment la lumière visible est une combinaison de plusieurs couleurs.
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La lumière visible est l’une des façons dont l’énergie se déplace. Les ondes lumineuses sont le résultat des vibrations des champs électriques et magnétiques, et sont donc une forme de rayonnement électromagnétique (EM). La lumière visible n’est qu’un des nombreux types de rayonnement EM, et occupe une très petite plage du spectre électromagnétique global, mais comme nous pouvons voir la lumière avec nos yeux, elle a une signification particulière pour nous.
Les ondes lumineuses ont des longueurs d’onde comprises entre environ 400 et 700 nanomètres (4 000 à 7 000 angströms). Nos yeux perçoivent les différentes longueurs d’onde de la lumière comme les teintes de l’arc-en-ciel des couleurs. La lumière rouge a des ondes relativement longues, d’environ 700 nm. Les lumières bleue et violette ont des ondes courtes, autour de 400 nm. Les ondes plus courtes vibrent à des fréquences plus élevées et ont des énergies plus importantes. La lumière rouge a une fréquence d’environ 430 terahertz, tandis que la fréquence de la lumière bleue est plus proche de 750 terahertz. Les photons rouges de la lumière transportent environ 1,8 électronvolt (eV) d’énergie, tandis que chaque photon bleu transmet environ 3,1 eV.
Les voisins de la lumière visible sur le spectre EM sont le rayonnement infrarouge d’un côté et le rayonnement ultraviolet de l’autre. Le rayonnement infrarouge a des ondes plus longues que la lumière rouge, il oscille donc à une fréquence plus basse et transporte moins d’énergie. Le rayonnement ultraviolet a des ondes plus courtes que la lumière bleue ou violette, et oscille donc plus rapidement et transporte plus d’énergie par photon que la lumière visible.
La lumière voyage à une vitesse de 299 792 kilomètres par seconde (environ 186 282 miles par seconde). À cette vitesse, la lumière pourrait faire le tour de la Terre plus de sept fois en une seconde ! La lettre minuscule « c » est souvent utilisée pour représenter la vitesse de la lumière dans les équations, comme la célèbre relation d’Einstein entre l’énergie et la matière : E = mc2. Toutes les formes d’ondes électromagnétiques, y compris les rayons X, les ondes radio et toutes les autres fréquences du spectre électromagnétique, se déplacent également à la vitesse de la lumière. La lumière voyage le plus rapidement dans le vide, et se déplace légèrement plus lentement dans des matériaux comme l’eau ou le verre.
Lorsque la lumière passe d’un matériau à un autre matériau de densité différente, elle se courbe généralement ou change de trajectoire. Les différentes couleurs de la lumière se courbent dans des proportions légèrement différentes. Lorsque la lumière bleue passe de l’air à un prisme de verre dense, par exemple, elle se courbe légèrement plus que la lumière rouge. C’est pourquoi un prisme divise la lumière blanche en un arc-en-ciel de couleurs différentes. Les gouttes de pluie peuvent devenir des prismes naturels, provoquant des arcs-en-ciel lorsque la lumière du soleil les traverse.