Lumière quantique

Lorsqu’on observe l’arc en ciel, on croit à la continuité du phénomène du fait que le spectre des fréquences lumineuses qui correspondent aux couleurs n’admet que quelques trous. Cependant cette continuité de la lumière n’est qu’apparente. Rappelons que ce spectre continu de la lumière dite blanche est, en fait, un rayonnement thermique appelé rayonnement du corps noir dont Planck et Einstein ont montré qu’il est fondé sur des quanta, donc fondamentalement discontinu. Le rayonnement thermique est fondé sur un équilibre thermique de la cavité qui est chauffée et qui émet. Il ne dépend pas des matériaux dont est composée la cavité. Toutes les fréquences existent mais l’émission se fiait forcément par nombre entier de paquets qui sont des quanta.

La lumière naturelle

On sait depuis le 17ème siècle que la lumière « blanche » du soleil, tout autant que celle des lampes traditionnelles, est en fait composée et montre, après être passée par exemple dans un prisme, l’ensemble des couleurs de l’arc-en-ciel. (…) Il faut se rappeler que la lumière n’est en fait qu’une variété d’ondes électromagnétiques, on sait cela depuis la fin du 19ème siècle, grâce aux travaux de Maxwell et de Hertz. Ce qui la différencie est sa longueur d’onde, c’est-à-dire la distance qui sépare deux « crêtes » du champ électrique, qui est de l’ordre du demi-micron, un demi-millième de millimètre, alors qu’en radio on utilise des longueurs d’onde allant du mètre au kilomètre. (…) Les couleurs de l’arc-en-ciel correspondent tout simplement aux vibrations de longueurs d’onde différentes qui composent la lumière naturelle. (…) Dans le domaine qui est visible pour notre oeil, les grandes longueurs d’onde correspondent au rouge, soit de 0,76 microns, les plus courtes de 0,4 microns et correspondent au bleu-violet. (…) Si on observe la lumière jaune émise par la vapeur de sodium (…) on obtient non pas un spectre continu comme celui de la lumière blanche, mais ce que l’on appelle un spectre de raies. Toute l’intensité lumineuse y est concentrée autour de quelques longueurs d’onde bien définies, formant les « raies spectrales » du corps considéré. Ces raies sont connues depuis assez longtemps, et ce sont les savants allemands Kirchoff et Bunsen qui eurent l’idée, dès 1860, d’y voir une « signature » des espèces atomiques et de s’en servir pour analyser la nature chimique des corps. (…) On a ainsi accès à une caractéristique très profonde des atomes. (…) Encore plus mystérieux paraît le fait que non seulement ces raies apparaissent en émission, mais aussi en absorption. (…) En améliorant, le dispositif à prisme de Newton, celui-ci avait en effet observé que la décomposition de la lumière du soleil en spectre continu de couleurs faisait apparaître plusieurs centaines de raies noires (…) En outre, ces raies ont la même position que les raies d’émission (…) »

Dans wikipedia

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant 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. Par exemple, certaines réactions chimiques ne sont possibles qu’en présence d’une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d’une fréquence seuil, quelle que soit l’intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l’effet photoélectrique, les électrons ne sont éjectés d’une plaque de métal qu’au-dessus d’une certaine fréquence, et l’énergie des électrons émis dépend de la fréquence de l’onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d’idée, les résultats obtenus à la fin du XIXe et au début du XXe siècle sur le rayonnement du corps noir sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ν ne peut recevoir ou émettre de l’énergie électromagnétique que par paquets de valeur bien déterminée égale à hν – ces paquets étant appelés des quanta.

Puisque les équations de Maxwell autorisent n’importe quelle valeur de l’énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l’énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l’énergie soit une propriété de la lumière elle-même. Bien qu’il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck et l’effet photoélectrique pourraient être expliqués si l’énergie de l’onde électromagnétique était localisée dans des quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendamment les uns des autres, même si l’onde elle-même était étendue continuement dans l’espace. Dans son article, Einstein prédit que l’énergie des électrons émis lors de l’effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l’onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923. En 1909 et en 1916, Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d’énergie doivent également transporter une impulsion p = h / λ, ce qui en fait des particules à part entière. L’impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton, ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.

Pendant tout le début du XXe siècle cependant, la notion de photon reste discutée, principalement en raison de l’absence d’un formalisme permettant de combiner les phénomènes ondulatoires avec les phénomènes corpusculaires nouvellement découverts. Ainsi en 1913, dans une lettre de recommandation en faveur de l’admission d’Einstein à l’académie des sciences de Prusse, Planck écrit :
« Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spéculations, il ait occasionnellement pu dépasser sa cible, comme par exemple avec son hypothèse des quanta de lumière. »
De nombreux effets mettant en évidence la nature quantifiée de la lumière peuvent en fait être également expliqués par une théorie semiclassique, dans laquelle la matière est quantifiée mais la lumière est considérée comme un champ électromagnétique classique. Parmi les phénomènes ainsi explicables, on peut par exemple citer l’existence d’un seuil dans l’effet photoélectrique, la relation entre l’énergie de l’électron émis et la fréquence de l’onde, le regroupement des photoélectrons dans un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, ainsi que la statistique poissonienne des comptes. Contrairement à une idée répandue, l’effet photoélectrique n’est donc pas la preuve absolue de l’existence du photon (bien que certaines expériences sur l’effet photoélectrique ne puissent cependant pas être expliquées par une théorie semiclassique).
L’expérience de Compton donne une existence plus tangible au photon, puisque ce dernier montre que la diffusion des électrons par les rayons X s’explique bien en attribuant au photon le moment cinétique prédit par Einstein. Cette expérience marque une étape décisive, après laquelle l’hypothèse des quanta de lumière emporte l’adhésion de la majorité des physiciens. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l’énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, Kramers et Slater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques :

• L’énergie et l’impulsion ne sont conservées qu’en moyenne, mais pas lors des processus élémentaires tels que l’absorption et l’émission de lumière. Cela permet de réconcilier le changement discontinu de l’énergie de l’atome avec les variations continues de l’énergie de la lumière.

• La causalité est abandonnée. Par exemple, l’émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique "virtuel".

Cependant, des expériences de diffusion Compton plus précises montrent que l’énergie et l’impulsion sont conservées extraordinairement bien lors des processus élémentaires, et également que le recul de l’électron et la génération d’un nouveau photon lors de la diffusion Compton obéissent à la causalité à moins de 10ps près. En conséquence, Bohr et ses collaborateurs donnent à leur modèle "des funérailles aussi honorables que possible". Sur le front théorique, l’électrodynamique quantique inventée par P.A.M. Dirac parvient à donner une théorie complète du rayonnement – et des électrons – expliquant la dualité onde-corpuscule. Depuis cette époque, et notamment grâce à l’invention du laser, les expériences confirment de manière de plus en plus directe l’existence du photon et l’échec des théories semi classiques. Il est notamment devenu possible de mesurer la présence d’un photon sans l’absorber, démontrant ainsi de manière directe la quantification du champ électromagnétique, de sorte que la prédiction d’Einstein est considérée comme prouvée.

Les éléments atomiques n’émettent que de manière discontinue comme on le voit ci-dessous :

Le spectre solaire contient ainsi des bandes noires qui séparent les bandes colorées. Il y a des fréquences pour lesquelles aucun corps n’émet ni n’absorbe de lumière.

D’une manière plus générale, la discontinuité de la lumière s’est révélée bien plus fondamentale puisque celle-ci (ainsi que toutes les formes de transmission d’énergie d’interaction) est quantifiée et donc discrète et discontinue. Le quanta de lumière est appelé photon. Mais il existe aussi des quanta d’autres interactions, qui sont le méson ou le gluon.

Sur la discontinuité quantique de … la lumière

La lumière, et partant les forces d’interaction, ont longtemps été considérées comme continues, alors même que la matière était déjà considérée comme discontinue, atomique. C’est la physique quantique qui a montré que la lumière n’était pas moins discontinue que la matière. Les interférences, qui semblaient l’expérience la plus démonstrative du caractère ondulatoire et donc continu de la lumière. L’expérience des fentes de Young (une émission peut passer dans l’un des deux trous et on constate des franges d’interférence - alternativement claire et sombre) semblait trancher dans le sens ondulatoire. Cela a été le contraire puisque les particules de lumière, les photons, peuvent être envoyés un par un et captés un par un sur l’écran. Cependant, même si l’émission est réalisée ainsi, photon par photon, sur l’écran les figures d’interférence se réalisent progressivement à partir d’un très grand nombre de photons émis. Cela a complètement cassé l’image des interférences conçues comme un produit de la continuité des ondes. Et ce n’était pas fini : l’expérience de l’effet photoélectrique (un photon suffisamment énergétique arrache des électrons de la matière) a montré le caractère discontinu de la lumière, entraînant la physique quantique vers un renoncement à la continuité aussi bien pour la lumière que pour la matière.

Louis de Broglie dans « La physique nouvelle et les quanta » :

« L’effet photoélectrique et la structure discontinue de la lumière

Il est utile de réfléchir à certaines expériences classiques en optique physique. Ici encore, c’est en partant de la dualité des photons et des ondes lumineuses que nous aurons le plus de chance de pouvoir débrouiller les choses. Nous allons donc envisager une expérience bien usuelle : l’analyse spectrale d’un faisceau de lumière complexe à l’aide d’un prisme (ou d’un réseau). L’effet du dispositif employé est alors, comme on le sait depuis Newton, de séparer les diverses composantes monochromatiques contenues dans la lumière incidente. On a beaucoup discuté au 19ème siècle la question de savoir si les composantes monochromatiques isolées par le prisme existaient dans la lumière incidente ou étaient créées par l’action du prisme. Aucune réponse bien satisfaisante n’avait été donnée à cette question, mais en fin de compte l’attitude la plus prudente consistait à dire : les composantes monochromatiques existent virtuellement, en quelque sorte à l’état potentiel, dans la lumière incidente. Nous allons voir que cette opinion est confirmée par les analyses de nature quantique dont nous allons parler. »

La lumière, le film

La lumière

La lumière naturelle

On sait depuis le 17ème siècle que la lumière « blanche » du soleil, tout autant que celle des lampes traditionnelles, est en fait composée et montre, après être passée par exemple dans un prisme, l’ensemble des couleurs de l’arc-en-ciel. (…) Il faut se rappeler que la lumière n’est en fait qu’une variété d’ondes électromagnétiques, on sait cela depuis la fin du 19ème siècle, grâce aux travaux de Maxwell et de Hertz. Ce qui la différencie est sa longueur d’onde, c’est-à-dire la distance qui sépare deux « crêtes » du champ électrique, qui est de l’ordre du demi-micron, un demi-millième de millimètre, alors qu’en radio on utilise des longueurs d’onde allant du mètre au kilomètre. (…) Les couleurs de l’arc-en-ciel correspondent tout simplement aux vibrations de longueurs d’onde différentes qui composent la lumière naturelle. (…) Dans le domaine qui est visible pour notre oeil, les grandes longueurs d’onde correspondent au rouge, soit de 0,76 microns, les plus courtes de 0,4 microns et correspondent au bleu-violet. (…) Si on observe la lumière jaune émise par la vapeur de sodium (…) on obtient non pas un spectre continu comme celui de la lumière blanche, mais ce que l’on appelle un spectre de raies. Toute l’intensité lumineuse y est concentrée autour de quelques longueurs d’onde bien définies, formant les « raies spectrales » du corps considéré. Ces raies sont connues depuis assez longtemps, et ce sont les savants allemands Kirchoff et Bunsen qui eurent l’idée, dès 1860, d’y voir une « signature » des espèces atomiques et de s’en servir pour analyser la nature chimique des corps. (…) On a ainsi accès à une caractéristique très profonde des atomes. (…) Encore plus mystérieux paraît le fait que non seulement ces raies apparaissent en émission, mais aussi en absorption. (…) En améliorant, le dispositif à prisme de Newton, celui-ci avait en effet observé que la décomposition de la lumière du soleil en spectre continu de couleurs faisait apparaître plusieurs centaines de raies noires (…) En outre, ces raies ont la même position que les raies d’émission (…) »

Rappelons que ce spectre continu de la lumière dite blanche est, en fait, un rayonnement thermique appelé rayonnement du corps noir dont Planck et Einstein ont montré qu’il est fondé sur des quanta, donc fondamentalement discontinu. Le rayonnement thermique est fondé sur un équilibre thermique de la cavité qui est chauffée et qui émet. Il ne dépend pas des matériaux dont est composée la cavité. Toutes les fréquences existent mais l’émission se fiait forcément par nombre entier de paquets qui sont des quanta.

Nature de la lumière :

Dans wikipedia

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant 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. Par exemple, certaines réactions chimiques ne sont possibles qu’en présence d’une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d’une fréquence seuil, quelle que soit l’intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l’effet photoélectrique, les électrons ne sont éjectés d’une plaque de métal qu’au-dessus d’une certaine fréquence, et l’énergie des électrons émis dépend de la fréquence de l’onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d’idée, les résultats obtenus à la fin du XIXe et au début du XXe siècle sur le rayonnement du corps noir sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ν ne peut recevoir ou émettre de l’énergie électromagnétique que par paquets de valeur bien déterminée égale à hν – ces paquets étant appelés des quanta.

Puisque les équations de Maxwell autorisent n’importe quelle valeur de l’énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l’énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l’énergie soit une propriété de la lumière elle-même. Bien qu’il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck et l’effet photoélectrique pourraient être expliqués si l’énergie de l’onde électromagnétique était localisée dans des quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendamment les uns des autres, même si l’onde elle-même était étendue continuement dans l’espace. Dans son article, Einstein prédit que l’énergie des électrons émis lors de l’effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l’onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923. En 1909 et en 1916, Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d’énergie doivent également transporter une impulsion p = h / λ, ce qui en fait des particules à part entière. L’impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton, ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.

Pendant tout le début du XXe siècle cependant, la notion de photon reste discutée, principalement en raison de l’absence d’un formalisme permettant de combiner les phénomènes ondulatoires avec les phénomènes corpusculaires nouvellement découverts. Ainsi en 1913, dans une lettre de recommandation en faveur de l’admission d’Einstein à l’académie des sciences de Prusse, Planck écrit :
« Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spéculations, il ait occasionnellement pu dépasser sa cible, comme par exemple avec son hypothèse des quanta de lumière. »
De nombreux effets mettant en évidence la nature quantifiée de la lumière peuvent en fait être également expliqués par une théorie semiclassique, dans laquelle la matière est quantifiée mais la lumière est considérée comme un champ électromagnétique classique. Parmi les phénomènes ainsi explicables, on peut par exemple citer l’existence d’un seuil dans l’effet photoélectrique, la relation entre l’énergie de l’électron émis et la fréquence de l’onde, le regroupement des photoélectrons dans un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, ainsi que la statistique poissonienne des comptes. Contrairement à une idée répandue, l’effet photoélectrique n’est donc pas la preuve absolue de l’existence du photon (bien que certaines expériences sur l’effet photoélectrique ne puissent cependant pas être expliquées par une théorie semiclassique).
L’expérience de Compton donne une existence plus tangible au photon, puisque ce dernier montre que la diffusion des électrons par les rayons X s’explique bien en attribuant au photon le moment cinétique prédit par Einstein. Cette expérience marque une étape décisive, après laquelle l’hypothèse des quanta de lumière emporte l’adhésion de la majorité des physiciens. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l’énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, Kramers et Slater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques :

• L’énergie et l’impulsion ne sont conservées qu’en moyenne, mais pas lors des processus élémentaires tels que l’absorption et l’émission de lumière. Cela permet de réconcilier le changement discontinu de l’énergie de l’atome avec les variations continues de l’énergie de la lumière.

• La causalité est abandonnée. Par exemple, l’émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique "virtuel".

Cependant, des expériences de diffusion Compton plus précises montrent que l’énergie et l’impulsion sont conservées extraordinairement bien lors des processus élémentaires, et également que le recul de l’électron et la génération d’un nouveau photon lors de la diffusion Compton obéissent à la causalité à moins de 10ps près. En conséquence, Bohr et ses collaborateurs donnent à leur modèle "des funérailles aussi honorables que possible". Sur le front théorique, l’électrodynamique quantique inventée par P.A.M. Dirac parvient à donner une théorie complète du rayonnement – et des électrons – expliquant la dualité onde-corpuscule. Depuis cette époque, et notamment grâce à l’invention du laser, les expériences confirment de manière de plus en plus directe l’existence du photon et l’échec des théories semi classiques. Il est notamment devenu possible de mesurer la présence d’un photon sans l’absorber, démontrant ainsi de manière directe la quantification du champ électromagnétique, de sorte que la prédiction d’Einstein est considérée comme prouvée.