la lumiere onde et corpuscule - ESPCI

2005 : « année Einstein »
Ann. Phys. 17, 132 (1905)
« un point de vue heuristique concernant l’émission et la
transformation de la lumière »
Einstein y introduit le concept de
quantum de lumière ou « photon »
- Avancée majeure pour la compréhension de la nature de la
lumière
- Prix Nobel attribué à Einstein en 1921 uniquement pour cette
découverte
Est-ce que tout est connu sur la lumière fin 1905 ?
NON
1905 ne représente qu’une étape dans une longue histoire,
qui s’étale de -600 à 2005
Antiquité
- Pythagore (-600):
La lumière est quelque chose
qui est émis par l’oeil
-Démocrite (-400):
La lumière est « une impression dans l’air
due à l’œil et à l’objet »
-Euclide (-300):
Les rayons de lumière, émis par l’oeil,
sont des lignes droites.
donne les lois de la réflexion sur un miroir
-Mo di (Chine -400)
propagation linéaire, lois de la réflexion
Moyen Age et Renaissance
-Ibn-al-Haitam, ou Alhazen (Le Caire 1000):
La lumière est quelque chose qui est émis par l’objet,
comme une « balle à l’extrémité d’une flèche»
-Képler (Prague 1600)
« dans la lumière, le mouvement se fait le long
d’une droite, et ce qui se déplace est
une sorte de surface »
Loi approchée de la réfraction
Loi des lentilles et formation des images
(après la lunette de Galilée)
les découvertes du 17ème siècle
- Snell (1625), Descartes (1637), Fermat (1664) :
loi de la réfraction
optique géométrique sur des bases solides
- Grimaldi (1665)
Découverte de la diffraction
sur le bord des ombres
-Römer (1675)
La lumière se propage à vitesse finie
« Nous ne connaissons pas la nature de la lumière, et utiliser de
grands mots sans beaucoup de signification est une imposture »
Huyghens (1678)
La lumière est une sorte d’ébranlement
qui se propage en cercles
à partir de la source, et qui est
capable de se renforcer par addition
Explique la propagation linéaire,
et les lois de la réflexion et de la réfraction
Newton (1704)
Explique les couleurs
Décrit les « anneaux de Newton »
A la fin du livre, propose une série de questions:
« les rayons de lumière, ne sont-ce pas de fort petits corpuscules
élancés ou poussés hors des corps lumineux ? »
Il existe « une disposition transitoire qui dans les progrès du
rayon revient à intervalles égaux et fait que le rayon, à chaque
retour de cette disposition, est transmis aisément à travers
la surface réfringente »
Le XVIIIème siècle
Pas de nouvelles découvertes majeures
Progrès important des outils mathématiques
(calcul différentiel et intégral)
La conception corpusculaire triomphe
(on a oublié les points d’interrogation de Newton !)
Young et Fresnel
Young (~1800) :
découvre les interférences:
La lumière monochromatique
est une onde sinusoïdale:
« de la lumière plus de la lumière peut donner de l’obscurité »
Fresnel (1814-20) :
La lumière est une quantité oscillante
définie en tous les points de l’espace:
Théorie mathématique de la diffraction
et des interférences
Objection de Poisson
Il doit exister un point brillant
au centre de l’ombre !!
Circular object
Le point brillant
existe bel et bien !
Faraday et Maxwell
Faraday (1840) introduit le concept
de champ électrique et magnétique
(« lignes de forces »)
existant en tout point de l’espace
Maxwell (1862) écrit les lois d’évolution
de ces champs et trouve comme solution
les ondes électromagnetiques
« nous pouvons difficilement éviter la conclusion
que la lumière est constituée des ondulations transverses
du même milieu qui est la cause des phénomènes
électriques et magnétiques »
La Lumière est une onde électro-magnétique
Planck 1900
Distribution spectral du rayonnement thermique
?
Trouve une expression satisfaisante pour u(ν)
en supposant que les échanges d’énergie
entre la lumière et la matière ne se
font que par multiples de hν
Nouvelle constante
de la physique
Einstein 1905
Il déduit de la loi de Planck l’entropie du
rayonnement thermique
Il trouve la même expression que pour un gaz parfait de
N particules d’énergie hν
« L’énergie de la lumière émise par une source ponctuelle
n’est pas continûment distribuée dans l’espace,
mais consiste en un nombre fini de quanta d’énergie
qui sont localisés en des points de l’espace,
qui se déplacent sans se diviser,
et qui ne peuvent être produits et absorbés
qu’en unités complètes.»
Einstein 1905 (suite)
Explique l’effet photo-électrique (Hertz, 1887)
La lumière ultra-violette est capable d’arracher les électrons
des métaux, mais pas la lumière visible
E
hν
Eextraction
Eelectron = hν − Eextraction
Les réactions à l’article d’Einstein
Le quantum de lumière d’Einstein
explique bien un petit nombre de phénomènes mystérieux…
… mais est incapable d’expliquer tous les phénomènes
ondulatoires bien connus de la lumière:
interférence, diffraction ….
Le quantum de lumière d’Einstein
se heurte au scepticisme de la communauté des
physiciens
Expérience de Taylor 1909
“une bougie allumée vue à une distance légèrement supérieure à un mile”
Plaque
photographique
Temps de pose croissant
Expérience de Millikan 1916
Millikan ne croyait pas à l’existence des photons
Fait des mesures très précises de l’effet photo-électrique
parfait accord avec les prédictions d’Einstein !
Le « compteur de photons »
L’effet photo-électrique permet la détection de photons uniques
Lumière très
atténuée
Plaque de métal
très mince
La lumière apparaît comme une succession
de phénomènes ponctuels distribués au hasard : les photons
1921: Le Prix Nobel est attribué à Einstein
pour l’effet photo-électrique
L’existence du photon est admise
Opinion générale de l’époque :
- La lumière se comporte comme une particule quand elle
interagit avec la matière
- Elle se comporte comme une onde lorsqu’elle se
se propage librement
« dualité onde-corpuscule »
Pas de théorie complète de la lumière
rendant compte de cette dualité
Avènement de la Mécanique Quantique
Bohr 1912 :
les électrons dans les atomes
ont des orbites discrètes
Quantification des niveaux
d’énergie
hν = Ei − E j
1924 De Broglie, 1925 Heisenberg, 1926 Schrödinger …
Naissance d’une théorie cohérente de la matière
radicalement nouvelle:
LA MECANIQUE QUANTIQUE
Première approche théorique
de l’ interaction matière-lumière
Théorie quantique « ab initio » de :
Champ électromagnetique classique
+ Atome quantique
(« approche semi-classique »)
- Permet de trouver la formule de Bohr
hν = Ei − E j
-Permet de retrouver exactement les lois d’Einstein
de l’effet photo-électrique !
Approche semi-classique (suite)
L’approche semi-classique permet d’expliquer
la grande majorité des phénomènes lumineux
« saut quantique » de l’électron,
et non pas arrivée d’un photon !
FAUT-IL RETIRER SON PRIX NOBEL A EINSTEIN ?
Naissance de l’Electrodynamique
Quantique 1925-1930
Dirac, Jordan, Pauli…
Appliquent les lois de la Mécanique Quantique
au champ électromagnetique
L’énergie d’un champ monochromatique
E
est quantifiée
0
E4
E3
E2
E1
E0
Etats quantiques contenant un nombre fixe de photons
Electrodynamique Quantique (suite)
L’incertitude des mesures sur un champ monochromatique
obéit à une inégalité de Heisenberg
2
⇒ Un champ nul à tout instant ne peut exister
L’obscurité totale n’existe pas !
Champ électrique de l’« obscurité » (ou du « vide »)
Existence des « fluctuations du vide »
Les Difficultés de l’Electrodynamique Quantique
1930-1947
- La théorie aboutit à de très nombreuses quantités divergentes:
Energie du vide
Amplitude des fluctuations du vide …
- Quand elle ne diverge pas, elle donne les mêmes résultats
que la théorie semi-classique
- Un seul succès indéniable:
explique de manière quantitative l’émission spontanée
1949 Tomonaga, Schwinger, Feynman
résolvent le problème des quantités divergentes
La situation dans les années 50-70s
L’approche semi-classique est utilisée par tous les physiciens
pour calculer les propriétés de la lumière
et de l’interaction matière lumière
La quantification de la lumière n’est utile
que pour calculer des propriétés subtiles de la matière
Pas d’évidence expérimentale directe
de l’existence du photon
lorsqu’il se propage librement
L’héroïne de notre histoire:
la lame semi-réfléchissante
(1)
(1)
(2)
Une lame semi-réfléchissante
divise une onde en deux parts égales,
mais ne peut pas couper un photon en deux !
Newton: « la lumière a des accès de facile réflexion
et de facile transmission avant que de tomber
sur les corps transparents »
(2)
L’expérience cruciale:
Détecteur de
coïncidences
(1)
Source de
Photons
Uniques
(2)
Théorie Semi-classique:
Des coïncidences peuvent se produire par hasard
Théorie Quantique complète
Il ne peut jamais y avoir coïncidence
Expérience avec une source lumineuse très
atténuée
Détecteur de
coïncidences
On mesure des
coïncidences !
(1)
(2)
R. Glauber (prix Nobel 2005) : Une source lumineuse
très atténuée n’est pas une source de photons uniques
Elle produit de temps en temps des paires de photons
Il faut pour l’expérience
une source réelle
de photons uniques :
Atome
unique
excité
Kimble, Dagenais, Mandel 1977
Ils mesurent un taux de coïncidence très faible,
incompatible avec la prédiction de la théorie semi-classique
Première preuve directe de l’existence du photon
en propagation libre !
après 1977
Est-ce que tout est connu
sur la lumière à la fin de 1977 ?
Non, ce n’est pas la fin de l’histoire !
un exemple:
l’interférométrie à deux photons
Hong, Ou, Mandel 1986
?
?
Générateur de
« photons jumeaux »
Détecteur de
coïncidences
Lame semi-réfléchissante
Taux de coïncidence mesuré
0
Différence de marche
Pas de coïncidences
quand les photons
jumeaux arrivent en
même temps sur la
lame semi-réfléchissante
Interprétation de l’expérience
1) En termes de champs classiques :
il existe toujours une possibilité de coïncidences fortuites
2) En termes de particules classiques :
(1)
(2)
(3)
(4)
(2) et (4) donnent lieu à coïncidences !
Dans cette expérience,
-la lumière ne se comporte pas comme une onde classique
-la lumière ne se comporte pas comme un ensemble
de corpuscules classiques
Conclusion: en définitive,
la lumière est-elle une onde et/ou une particule ?
• La lumière peut ressembler à une onde classique
• La lumière peut ressembler à une particule classique
• La lumière peut ne ressembler à rien de classique !!
Sur quelle image physique s’appuyer alors ?
-Interférence entre amplitudes de probabilité
0.5
− 0.5
0.5
De la probabilité plus de la probabilité
peut donner pas de probabilité !!
0.5
- Existence des fluctuations du vide
La théorie quantique explique quantitativement
tous les phénomènes observés jusqu’à présent
Quelle est finalement
la nature de la lumière ?
« Nous ne connaissons pas la nature de la lumière, et utiliser de
grands mots sans beaucoup de signification est une imposture »
Grimaldi 1665
En 2005 nous savons comment décrire tous les phénomènes
lumineux connus
Quel futur pour les études sur la lumière ?
Trouver des phénomènes optiques encore plus étranges
Trouver un résultat expérimental que la théorie quantique
actuelle n’explique pas !!!