Do photons really exist ? 🟡

Les photons existent-ils vraiment ? Faudrait-il carrément interdire l’usage du mot « photon »

? C’est en tout cas ce que pense le très respectable physicien Willis Lamb, qui dans

un article violemment intitulé « Anti-photon », affirme carrément : « Les photons ça n’existe

pas », « le concept de photon n’a pas de justification scientifique ».

Et Willis Lamb, c’est quand même pas n’importe qui. Il a eu le prix Nobel en 1955 précisément

pour des travaux fondateurs sur le comportement quantique du rayonnement électromagnétique.

Donc il sait un peu de quoi il parle. Pourquoi tant de haine envers le photon ?

Pourtant, on a tous appris que le photon, c’est une particule élémentaire, au même

titre que l’électron, et que la lumière est composée de photons. Donc ça doit bien

exister, non ? Eh bien oui, mais vous allez voir que ça ne ressemble pas franchement

à une petite boule d’énergie qui se déplace.

[jingle]

Pour comprendre comment on en est arrivés à parler de photons, un peu d’histoire.

Dans l’antiquité, des savants comme Euclide ou Ptolémée avaient déjà modélisé la

lumière comme étant formée de rayons.

Et autour de l’an 1000, ce furent les savants arabes qui poursuivirent les efforts de compréhension,

et notamment Al Hazen qui formalisa la première théorie moderne de l’optique.

[SNELL Plus tard au XVIIe siècle en Europe, Snell et Descartes publièrent les lois de

la réflexion et de la réfraction. Celles que l’on apprend au lycée et qui fondent

toute l’optique géométrique, toujours autour du concept de rayon lumineux.]

Mais vers la fin du XVIIe, certains ont voulu pousser plus loin et essayer de comprendre

de quoi pouvaient bien être composés ces rayons lumineux. Et deux théories se sont

affrontées.

[NEWTON/HUYGENS D’un côté celle d’Isaac Newton, qui imaginait les rayons lumineux

comme faits de petits corpuscules, des petites particules de lumière qui se déplaceraient

à une certaine vitesse. Et de l’autre côté, celle de Christian Huygens — alors oui je

sais, on prononce — Huygens, donc qui pensait que la lumière était en fait

une onde qui se propage, comme des vagues à la surface de l’eau.

Et précisons qu’à cette époque, on avait déjà une estimation assez bonne de la vitesse

de la lumière, grâce à Ole Rœmer qui en observant les lunes de Jupiter l’avait estimée

à 220 000 km/s.]

Alors la lumière, onde ou particule ? Eh bien le débat a fait rage pendant presque

un siècle entre les partisans de Newton-particules et ceux de Huygens-onde. Avant qu’en 1802,

Thomas Young ne vienne siffler la fin de la récréation, et mettre tout le monde d’accord

avec ses expériences de diffraction et d’interférences.

[YOUNG Généralement, on parle de l’expérience de la double fente de Young, même s’il

est vraisemblable qu’il ait fait quelque chose d’un peu différent. Mais le résultat

est le même, il a démontré que la lumière pouvait donner lieu à des interférences,

comme des ondes à la surface de l’eau. Ce qui a donné, a posteriori, raison à Huygens,

et tort à Newton.]

Soixante ans plus tard, en 1864, Maxwell en rajoute une couche en publiant ses fameuses

équations sur la théorie électromagnétique. Or ces équations impliquent l’existence

d’ondes électromagnétiques, dont Maxwell soupçonne qu’elles sont de même nature

que les ondes lumineuses.

Et il avait raison. En 1887, Heinrich Hertz prouve expérimentalement que ces ondes électromagnétiques

existent bel et bien. Et à ce stade l’idée de particules de lumière est vraiment morte

et enterrée. Absolument tout, montre que la lumière est véritablement une onde. Jusqu’en

1905 et un certain…Albert Einstein.

A cette époque, Einstein s’intéresse, en autres, à l’effet photo-électrique,

et en propose une interprétation audacieuse, qui semble ressusciter la théorie corpusculaire

de Newton. Voyons d’abord ce qu’est cet effet photo-électrique.

[PHOTOELECTRIQUE Imaginez que vous ayez un morceau de métal, que vous illuminez avec

une lampe. Imaginons que cette lampe ait deux réglages : un pour la puissance, et un pour

la fréquence de la lumière, sa couleur si vous voulez.

Et le but de l’expérience, c’est de balancer de la lumière sur le métal dans le but de

lui arracher des électrons. On imagine qu’on a un petit détecteur à électrons au-dessus

qui nous dit s’il y en a qui ont effectivement été expulsés du métal.

Intuitivement, on se dit que pour arracher des électrons, il suffit de taper suffisamment

fort. Donc on monte la puissance de la lampe. Mais là, rien ne se passe rien, aussi puissante

que soit la lampe, aucun électron n’est arraché au métal.

Par contre, de façon étonnante, en jouant sur la fréquence, en l’augmentant, on se

rend compte qu’au delà d’un certain seuil on arrive à arracher des électrons.]

Et si on admet que la lumière est juste une onde, c’est assez contre-intuitif. Si je

veux vous éclater les tympans avec du son, et que j’ai le choix de jouer sur la fréquence

et sur la puissance…je vais clairement mettre le son à fond, peu importe la fréquence

finalement.

Alors pourquoi, pour arracher des électrons, monter la puissance de la lampe ne marche

pas. Pourquoi est-ce qu’il faut franchir d’abord un seuil minimum de fréquence ?

[PHOTONS Eh bien Einstein a son idée sur la question : il propose que la lumière se

comporte comme si elle était faite de particules, les photons, et que l’énergie E de chaque

photon soit proportionnelle à sa fréquence f. Et la constante de proportionnalité étant

h, la fameuse constante de Planck, introduite quelques années plus tôt.

Avec cette interprétation, pour éjecter un électron du métal, il faut qu’il se

fasse taper dedans par un photon suffisamment énergétique, donc de fréquence suffisamment

élevée. Et si ça n’est pas le cas, peu importe la quantité de photons qu’on balance,

ça ne fera pas bouger les électrons.]

Vous le savez peut-être, cette idée d’Einstein a été un des concepts clés dans la construction

de la mécanique quantique. Et son interprétation prouve manifestement que Newton avait finalement

un peu raison : la lumière serait, d’une façon ou d’une autre, quand même faite

de particules.

[CONSTITUANTS Mais est-ce que c’est vraiment le cas ? Si j’ai une source de lumière