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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'électrodynamique 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. |
