Les photons existent-ils ? 🟡

0:00 Les photons existent-ils vraiment ? Faudrait-il carrément interdire l'usage du mot photon ?

0:06 C'est en tout cas ce que pense le très respectable physicien Willis Lamb,

0:11 qui dans un article violemment intitulé Antiphoton, affirme carrément les photons ça n'existe pas.

0:18 Le concept de photon n'a pas de justification scientifique.

0:22 Et Willis Lamb c'est quand même pas n'importe qui, il a eu le prix Nobel en 1955

0:26 précisément pour des travaux fondateurs sur le comportement quantique du rayonnement électromagnétique.

0:32 Donc il sait un peu de quoi il parle.

0:34 Pourquoi tant de haine envers le photon ?

0:37 Pourtant on a tous appris que le photon c'est une particule élémentaire au même titre que l'électron

0:42 et que la lumière est composée de photons.

0:45 Donc ça doit bien exister, non ?

0:47 Eh bien oui, mais vous allez voir que ça ne ressemble pas franchement

0:51 à une petite boule d'énergie qui se déplace.

0:57 Pour comprendre comment on en est arrivé à parler de photons, un peu d'histoire.

1:02 Dans l'antiquité, des savants comme Euclide ou Ptolémée avaient déjà modélisé la lumière

1:07 comme étant formée de rayons.

1:09 Et autour de l'an 1000, ce furent les savants arabes qui poursuivirent les efforts de compréhension

1:15 et notamment Al Hazen qui formalisa la première théorie moderne de l'optique.

1:21 Plus tard, au XVIIe siècle, en Europe, Snell et Descartes publièrent les lois de la réflexion et de la réfraction,

1:27 celles que l'on apprend au lycée et qui fondent toute l'optique géométrique,

1:31 toujours autour du concept de rayons lumineux.

1:34 Mais vers la fin du XVIIe, certains ont voulu pousser plus loin

1:38 et essayer de comprendre de quoi pouvaient bien être composés ces rayons lumineux.

1:43 Et deux théories se sont affrontées.

1:46 D'un côté, celle d'Isaac Newton, qui imaginait les rayons lumineux comme faits de petits corpuscules,

1:52 des petites particules de lumière qui se déplaceraient à une certaine vitesse.

1:56 Et de l'autre côté, celle de Christian Huygens,

2:00 oui alors je sais, on prononce...

2:04 Huygens donc, qui pensait que la lumière était en fait une onde qui se propage,

2:08 comme des vagues à la surface de l'eau.

2:10 Et précisons qu'à cette époque, on avait déjà une estimation assez bonne de la vitesse de la lumière,

2:15 grâce à Olé Romer qui, en observant les lunes de Jupiter,

2:19 l'avait estimée à 220 000 km par seconde.

2:22 Alors la lumière onde ou particule ?

2:25 Eh bien le débat a fait rage pendant presque un siècle

2:28 entre les partisans de Newton-particule et ceux de Huygens-onde,

2:33 avant qu'en 1802 Thomas Young ne vienne siffler la fin de la récréation

2:37 et mette tout le monde d'accord avec ses expériences de diffraction et d'interférence.

2:42 Alors généralement on parle de l'expérience de la double fente de Young,

2:45 même s'il est vraisemblable qu'il ait fait quelque chose d'un peu différent.

2:48 Mais le résultat est le même, il a démontré que la lumière pouvait donner lieu à des interférences,

2:53 comme des ondes à la surface de l'eau.

2:55 Ce qui a donné, a posteriori, raison à Huygens et tort à Newton.

3:00 60 ans plus tard, en 1864, Maxwell en rajoute une couche

3:04 en publiant ses fameuses équations sur la théorie électromagnétique.

3:08 Or ces équations impliquent l'existence d'ondes électromagnétiques

3:12 dont Maxwell soupçonne qu'elles sont de même nature que les ondes lumineuses.

3:16 Et il avait raison, en 1887 Heinrich Hertz prouve expérimentalement

3:22 que ces ondes électromagnétiques existent bel et bien.

3:25 Et à ce stade l'idée de particules de lumière est vraiment morte et enterrée,

3:29 absolument tout montre que la lumière est véritablement une onde.

3:35 Jusqu'en 1905 et un certain Albert Einstein.

3:39 A cette époque Einstein s'intéresse entre autres à l'effet photoélectrique

3:44 et en propose une interprétation audacieuse qui semble ressusciter la théorie corpusculaire de Newton.

3:50 Voyons d'abord ce qu'est cet effet photoélectrique.

3:53 Imaginez que vous ayez un morceau de métal que vous illuminez avec une lampe.

3:59 Et supposons que cette lampe ait deux réglages,

4:02 un pour la puissance et un pour la fréquence de la lumière, sa couleur si vous voulez.

4:07 Et le but de l'expérience c'est de balancer de la lumière sur le métal

4:11 dans le but de lui arracher des électrons.

4:14 On imagine qu'on a un détecteur à électrons au-dessus

4:17 qui nous dit s'il y en a qui ont effectivement été expulsés du métal.

4:21 Instructivement on se dit que pour arracher des électrons il suffit de taper suffisamment fort.

4:27 Donc on monte la puissance de la lampe.

4:30 Mais là, rien ne se passe.

4:32 Aussi puissante que soit la lampe, aucun électron n'est arraché au métal.

4:36 Par contre, de façon étonnante, en jouant sur la fréquence en l'augmentant,

4:41 on se rend compte qu'au-delà d'un certain seuil, on arrive à arracher des électrons.

4:46 Et si on admet que la lumière est juste une onde, c'est assez contre-intuitif.

4:51 Je veux dire, si je veux vous éclater les tympans avec du son

4:54 et que j'ai le choix de jouer sur la fréquence et sur la puissance,

4:56 je vais clairement mettre le son à fond, peu importe la fréquence finalement.

5:00 Alors pourquoi pour arracher des électrons, monter la puissance de la lampe ne marche pas ?

5:05 Pourquoi est-ce qu'il faut d'abord franchir un seuil minimum de fréquence ?

5:10 Eh bien Einstein a son idée sur la question.

5:12 Il propose que la lumière se comporte comme si elle était faite de particules, les photons,

5:17 et que l'énergie E de chaque photon soit proportionnelle à sa fréquence, f.

5:23 Et la constante de proportionnalité étant H, la fameuse constante de Planck

5:27 que ce dernier avait introduit quelques années plus tôt.

5:30 Avec cette interprétation, pour éjecter un électron du métal,

5:34 il faut qu'il se fasse taper dedans par un photon suffisamment énergétique,

5:38 donc de fréquence suffisamment élevée.

5:41 Et si ce n'est pas le cas, peu importe la quantité de photons qu'on balance,

5:44 ça ne fera pas bouger les électrons.

5:46 Alors vous le savez, peut-être cette idée d'Einstein a été un des concepts clés

5:50 dans la construction de la mécanique quantique.

5:52 Et son interprétation prouve manifestement que Newton avait finalement un peu raison.

5:58 La lumière serait d'une façon ou d'une autre quand même faite de particules.

6:02 Mais est-ce que c'est vraiment le cas ?

6:05 Si j'ai une source de lumière et que je la fiche dans le temps,

6:08 est-ce que ces rayons lumineux, je peux véritablement dire qu'ils sont constitués d'un flux de photons,

6:14 tout comme on dit que la matière est constituée d'atomes, d'électrons, de protons ?

6:18 Est-ce que le rayon est vraiment composé de petits machins bien localisés

6:23 qui sont en nombre déterminé et qui se déplacent à la vitesse de la lumière quand le temps s'écoule ?

6:28 C'est important comme question, parce que c'est quand même une représentation qu'on voit partout

6:32 et que j'ai probablement déjà utilisée plein de fois,

6:35 et qui peut amener des questions légitimes du genre

6:38 où sont les photons ? Quelle taille font-ils ? Est-ce qu'ils ralentissent dans du vert ?

6:43 Pour savoir si ces questions ont un sens,

6:45 il faut d'abord savoir si on peut vraiment dire que la lumière est d'une façon ou d'une autre

6:49 constituée de petites boules qui avancent, comme l'imaginait Newton.

6:53 Eh ben, pas vraiment.

6:55 On va voir que dans les théories modernes du rayonnement électromagnétique,

6:58 on est assez loin de cette vision newtonienne de la lumière.

7:02 D'ailleurs, contrairement à ce qu'on pense souvent, Einstein, dans ce fameux article sur l'effet photoélectrique,

7:08 ne parle pas vraiment de particules et encore moins de photons.

7:12 Il parle de paquets d'énergie, de quanta,

7:15 et il insiste surtout sur le fait que c'est l'opération d'échange de transferts d'énergie

7:20 entre la lumière et les électrons du métal qui est quantifiée.

7:24 Les quantités d'énergie qui passent de l'un à l'autre

7:27 ne peuvent prendre que certaines valeurs qui sont liées à la fréquence de la lumière.

7:32 Alors, on pourrait dire que ça suggère quand même fortement qu'il existe dans la lumière

7:36 un machin quantifié, un discret, qui interagit avec la matière.

7:40 En fait, même pas.

7:42 C'est un résultat trop peu connu, mais il a été découvert plus tard qu'il est parfaitement possible

7:47 d'expliquer l'effet photoélectrique avec une simple onde électromagnétique, complètement classique.

7:53 Il suffit que les niveaux d'énergie des électrons, eux, soient quantifiés.

7:57 Et ça suffit à expliquer le phénomène sans qu'il y ait besoin de changer la nature de la lumière.

8:02 Pour bien saisir la différence, voici une analogie que j'ai trouvée dans un article.

8:06 Quand on achète du beurre au supermarché, on ne peut le faire que par plaquette de, mettons, 250 grammes.

8:12 La transaction se fait par paquet quantifié, mais c'est juste le transfert, l'échange.

8:17 Ça n'empêche pas le beurre d'exister en n'importe quelle quantité.

8:21 Et on ne dit pas que le beurre est constitué de plaquettes de 250 grammes.

8:25 Donc finalement, l'effet photoélectrique ne prouve pas du tout que les photons existent.

8:30 Et d'ailleurs, l'origine de ce mot est vraiment étrange.

8:32 Ça n'est pas Einstein qui a proposé le terme de photon, mais c'est Lewis, le chimiste, 21 ans plus tard, en 1926.

8:40 Et il l'a proposé pour désigner un nouveau type d'atome qu'il avait imaginé.

8:44 Et il insistait justement pour dire que ça n'était pas des quantas de lumière.

8:48 Comment à partir de là, on en est venu à utiliser le mot photon pour désigner justement une particule de lumière ?

8:54 Bah, aucune idée.

8:56 Alors là, vous dites peut-être que je sonne un peu comme un conspirationniste.

8:59 On vous ment, le photon n'a jamais existé, c'est le gouvernement Illuminati qui vous cache que la lumière, c'est en fait juste des ondes électromagnétiques.

9:07 Alors non, en fait, je ne dis pas ça.

9:09 Il existe bien quelques phénomènes dont on sait qu'ils ne sont pas explicables avec une simple théorie ondulatoire.

9:17 Mais je vous l'ai dit, l'effet photoélectrique n'en fait pas partie.

9:20 Parmi ces phénomènes inexplicables avec juste par exemple la théorie de Maxwell, il y a l'émission spontanée de la lumière par les atomes.

9:28 Et on va en reparler.

9:30 Et il y a aussi ce qu'on appelle le décalage de Lamb.

9:34 C'est un décalage qu'on observe entre certains niveaux d'énergie atomique qui ne peut s'expliquer qu'en invoquant la théorie quantique du vide électromagnétique.

9:42 Et d'ailleurs, ce décalage porte le nom de Lamb, qui l'a découvert, et qui est bien le chercheur dont je parlais au début de la vidéo.

9:49 Celui qui pense qu'on devrait arrêter de parler de photons.

9:52 Ce que je suis en train de vous dire, c'est que Lamb a contribué à démontrer que la théorie purement ondulatoire ne suffit pas,

9:58 et en même temps, il refuse l'idée de photons comme une particule de lumière.

10:03 Est-ce qu'on peut essayer de comprendre pourquoi ?

10:06 Eh bien oui, mais pour ça, il va falloir plonger dans ce que dit vraiment la théorie quantique de la lumière et de l'électromagnétisme,

10:13 ce qu'on appelle l'électrodynamique quantique.

10:16 On va voir que le concept de photons, il existe bel et bien, mais qu'il ne désigne pas forcément ce que notre intuition voudrait y voir.

10:24 Et donc, dans la suite, on va se demander de quoi le photon est-il le nom.

10:35 Pour comprendre la théorie quantique de l'électromagnétisme, il va falloir parler de théorie quantique des champs.

10:42 C'est un terme un peu effrayant, mais qui désigne en gros la mécanique quantique 2.0,

10:47 telle qu'elle est utilisée aujourd'hui pour fonder toute la physique des particules.

10:52 Et avant de plonger dans le vif du sujet, je voudrais rappeler quelques principes de la mécanique quantique

10:57 qui vont nous être utiles pour comprendre cette théorie quantique des champs.

11:01 Prenons une simple particule, disons un électron.

11:05 Pour complètement caractériser l'état de cet électron à un instant T,

11:09 j'ai besoin de deux informations, sa position, on va la noter x, et son vecteur vitesse, v.

11:15 Pour nous faciliter la tâche, on va imaginer que notre électron ne se déplace qu'en une dimension,

11:20 comme ça on oublie les vecteurs.

11:22 Si je connais ces deux quantités, position et vitesse, je sais tout ce qu'il y a à savoir sur l'état de cet électron à l'instant T.

11:30 Et si je connais les forces qui agissent sur lui, avec ça je peux calculer sa trajectoire.

11:35 Puisque l'état de l'électron est représenté par deux nombres, je peux les placer dans un diagramme.

11:40 En abscisse la position, en ordonnée la vitesse, et donc à un instant donné, l'état de l'électron s'est un point dans ce diagramme.

11:48 Et un peu plus tard, quand le temps se sera écoulé, il sera peut-être dans une autre position, possédera une autre vitesse, et ainsi de suite.

11:55 La position et la vitesse, c'est ce qu'on appelle l'état classique de l'électron.

12:00 Et puisque cet état est un point dans ce diagramme, vous voyez qu'il y a une infinité d'états classiques possibles,

12:06 autant que deux points dans le plan.

12:08 Maintenant quand on passe en mécanique quantique, les choses changent.

12:11 Vous connaissez peut-être le principe de superposition quantique,

12:15 qui nous dit que si un électron peut être dans un état A et dans un état B,

12:19 alors il peut aussi être dans une superposition de ces deux possibilités.

12:24 Et on peut superposer comme ça autant d'états qu'on veut, même une infinité.

12:30 Graphiquement, si on peut mélanger plein de possibilités d'états, et à différents degrés,

12:36 ça veut dire qu'au lieu de représenter un état par simplement un point dans mon diagramme position-vitesse,

12:41 je vais devoir considérer des situations de ce genre.

12:45 Une sorte de mélange flou de plein de possibilités avec des proportions plus ou moins importantes en chaque point.

12:51 Ça, c'est un état quantique possible.

12:54 Ça aussi, ça aussi, etc.

12:57 Et vous comprenez probablement qu'il y a infiniment plus d'états quantiques que d'états classiques.

13:02 Là où avant on donnait juste deux quantités, position et vitesse,

13:06 là il semble qu'on puisse avoir toutes les nuances et toutes les superpositions possibles.

13:10 Il y avait déjà une infinité d'états classiques, mais là on a une infinité d'infinités d'états quantiques.

13:15 En regardant tous ces états quantiques possibles, on peut se demander

13:19 est-ce que les états classiques font partie des états quantiques ?

13:23 Est-ce que je peux avoir un état quantique qui soit juste un point,

13:26 avec une vitesse et une position parfaitement bien déterminées ?

13:30 Eh bien non. Vous connaissez sans doute le principe de Heisenberg.

13:34 Il nous dit qu'on ne peut pas avoir un état quantique qui soit parfaitement défini

13:38 à la fois pour la position et pour la vitesse.

13:41 Il y a donc une sorte de taille minimale que doit avoir la tâche floue dans le diagramme.

13:47 Les valeurs de position et de vitesse ne peuvent jamais être parfaitement bien définies en même temps.

13:52 Et plus l'une est définie, moins l'autre l'est.

13:56 Si je veux faire une tâche très fine en position, je me retrouve avec une tâche très étalée en vitesse.

14:01 Et réciproquement.

14:03 Voilà pour les éléments essentiels de mécanique quantique dont on va avoir besoin ensuite.

14:07 Mais je vous l'ai dit, pour comprendre la lumière et les ondes électromagnétiques,

14:11 ça ne va pas être suffisant.

14:13 Il va falloir passer au niveau supérieur avec la mécanique quantique 2.0

14:17 qu'on appelle la théorie quantique des champs.

14:20 La théorie quantique des champs, c'est le formalisme

14:23 qui est derrière toute la physique des particules modernes,

14:26 depuis les électrons jusqu'au boson de Higgs.

14:29 Ce qu'on appelle le modèle standard de la physique des particules

14:32 est une combinaison de théorie quantique des champs.

14:36 Dans notre compréhension actuelle du monde au niveau fondamental,

14:40 tout n'est que champ quantique.

14:43 Mais qu'est-ce que c'est un champ quantique ?

14:45 C'est ce qu'on obtient quand on applique les principes de la mécanique quantique

14:49 non pas à une simple particule comme on l'a fait avec l'électron,

14:53 mais à un champ classique.

14:55 Le champ électromagnétique, celui que nous décrivent les équations de Maxwell,

14:59 est un champ classique.

15:01 En fait, ce sont même deux champs, électrique et magnétique.

15:04 Mais comme ils sont très liés, on va se simplifier la vie

15:07 en ne considérant par exemple que le champ électrique.

15:09 Si vous prenez un champ électrique qui remplit potentiellement tout l'espace,

15:13 pour le décrire complètement, il faut donner sa valeur partout.

15:17 Donc une infinité de flèches de ce genre.

15:20 Vous voyez que c'est beaucoup plus compliqué que de décrire une particule

15:23 pour laquelle il fallait simplement donner deux valeurs, position et vitesse.

15:27 Et vous vous souvenez qu'avec l'électron,

15:29 quand on voulait passer aux états quantiques,

15:31 on se retrouvait avec infiniment plus de possibilités.

15:35 Eh bien avec le champ électrique, c'est pareil, mais encore pire.

15:38 Pour décrire complètement un état quantique du champ,

15:41 il faut faire une superposition de tout un tas de possibilités classiques.

15:46 C'est un espace des états monstrueusement grand,

15:49 et c'est très difficile à se représenter.

15:51 Je ne vais même pas tenter d'en faire un dessin, c'est vraiment un truc énorme.

15:54 La théorie qu'on obtient en faisant ça pour le champ électromagnétique

15:57 s'appelle l'électrodynamique quantique.

16:00 Et à cause de cet espace des états monstrueux,

16:02 elle semble bien difficile à appréhender.

16:05 Heureusement, en 1932, un physicien russe, Vladimir Fok,

16:09 a trouvé un moyen de décrire cet espace monstrueux

16:12 d'une façon un peu plus intelligible.

16:14 Il s'est rendu compte qu'on pouvait le découper en sous-espaces plus petits

16:18 qui seraient classés par nombre d'excitation.

16:22 Et plus un état possède de niveau d'excitation, plus il a d'énergie.

16:26 Si le champ est dans un certain état quantique,

16:28 il peut posséder par exemple 1 excitation,

16:31 2 excitations, 3 excitations, 47 excitations, etc.

16:35 Et ces fameuses excitations du champ électromagnétique quantique,

16:39 c'est ça qu'on appelle officiellement des photons.

16:42 Un champ qui est dans un état quantique à 47 excitations,

16:46 on dit qu'il contient 47 photons.

16:48 Avec quand même une nuance très importante qui est,

16:51 comme toujours en mécanique quantique,

16:53 ce nombre d'excitations, tout comme l'énergie,

16:56 n'est pas forcément toujours bien défini.

16:59 Un champ quantique peut parfois être dans un état

17:02 qui soit une superposition de plein de possibilités d'excitation différentes.

17:07 Mais malgré tout, en théorie quantique des champs,

17:10 on a vraiment une définition claire de ce que c'est un photon.

17:13 C'est un niveau d'excitation de l'état quantique du champ électromagnétique.

17:18 Mais est-ce que c'est la même chose que des particules de lumière

17:22 telles que se les imaginait Newton ?

17:24 Est-ce qu'une excitation du champ quantique,

17:26 c'est un petit paquet d'énergie qui se déplace ?

17:28 Ce qui nous permettrait de dire que la lumière est effectivement composée de ces photons,

17:33 comme la matière est composée d'atomes.

17:35 Eh bien, pour répondre à cette question,

17:38 on va essayer d'examiner en détail l'état du champ quantique

17:42 qui décrit la lumière pour des situations de la vie de tous les jours.

17:46 Enfin, presque tous les jours.

17:54 Commençons avec le laser.

17:56 Une des spécificités d'un laser, c'est de produire de la lumière,

18:00 une onde électromagnétique,

18:02 qui soit en quelque sorte très stable, très régulière,

18:05 à la fois dans l'espace et dans le temps.

18:08 À notre échelle, on pourrait penser qu'un laser émet de la lumière

18:12 de façon totalement continue, ininterrompue.

18:15 Mais il faut s'imaginer qu'elle est plutôt faite de ce qu'on appelle des trains d'ondes,

18:20 qui sont des sortes de longues vagues de champs électriques.

18:23 Chacune de ces vagues n'a qu'une longueur donnée,

18:26 mais c'est comme si elles se relayaient les unes les autres,

18:29 donnant l'impression de continuité.

18:31 Un train d'onde de laser, ça peut faire de quelques centimètres à quelques mètres,

18:37 voire plusieurs kilomètres pour certains lasers ultra-stables,

18:40 comme ceux qu'on utilise pour détecter les ondes gravitationnelles.

18:44 Une autre caractéristique importante des lasers,

18:47 c'est leur pureté du point de vue de la fréquence,

18:50 et donc de la longueur d'onde du champ électromagnétique.

18:52 Et c'est d'ailleurs relié à la longueur du train d'onde.

18:55 Plus celui-ci est long, plus la fréquence sera pure.

18:59 Ce que je viens de vous décrire comme étant ce que nous fournit un laser,

19:03 c'est un état classique du champ électromagnétique.

19:06 Mais on peut se demander quel est l'état quantique qui lui correspond le mieux.

19:11 Et est-ce qu'on peut le comprendre comme étant composé

19:14 d'un certain nombre d'excitations de photons ?

19:17 Eh bien oui, on peut le faire.

19:18 Si je prends un train d'onde de mon laser,

19:20 il existe un état quantique qui le décrit assez bien.

19:24 On appelle ça un état cohérent.

19:26 Et alors à quoi il ressemble cet état ?

19:29 Combien d'excitation, combien de photons il contient ?

19:32 Eh bien la réponse n'est pas précisément définie.

19:36 Un état cohérent n'a jamais un nombre fixe d'excitation.

19:40 Il est toujours dans une superposition d'une infinité de possibilités différentes.

19:45 Et même si on peut donner une valeur moyenne à un ordre de grandeur,

19:49 la lumière d'un laser, si on la fiche dans le temps,

19:52 on ne peut pas dire qu'elle soit composée d'un nombre fixe

19:55 et bien défini d'excitation de photons.

19:58 L'autre problème, c'est que même si on oublie cette difficulté,

20:01 ces excitations superposées qui composent l'état quantique,

20:05 elles ne sont pas du tout réparties dans le faisceau comme on pourrait se l'imaginer.

20:09 Ce n'est pas une excitation ici, l'autre ici, l'autre là, etc.

20:12 Non, elles sont toutes en quelque sorte délocalisées sur l'ensemble du train d'onde.

20:18 Elles sont partout à la fois.

20:20 Et comme le train d'onde peut faire plusieurs mètres de long,

20:22 ça veut dire que les photons ne sont nulle part en particulier sur une telle distance.

20:27 Ce qu'on voit en regardant ces états quantiques de la lumière laser,

20:31 c'est qu'on est assez conforme à la première intuition qu'a Weinstein.

20:35 Il y a bien une quantification dans l'énergie qu'on échange, en nombre d'excitation.

20:41 Mais on est très loin de l'image du petit grain de lumière qui se déplace à la newton.

20:46 Si on veut vraiment trouver une image moins mauvaise,

20:49 on peut faire comme si le nombre d'excitation reflétait l'intensité du champ électromagnétique.

20:55 Comme si ça, c'était le champ pour une excitation, puis deux excitations, trois excitations, etc.

21:01 Alors attention, c'est une image. En vrai, ce que je dis est faux.

21:04 Ce n'est pas comme ça.

21:05 Mais c'est une image probablement beaucoup moins mauvaise

21:08 que des petites boules qui se déplacent dans le faisceau.

21:11 Une conséquence de cette structure de l'état quantique de la lumière laser,

21:15 c'est que si vous prenez un laser et que vous en atténuez le faisceau,

21:18 par exemple avec des filtres,

21:20 vous n'obtiendrez jamais vraiment des photons uniques.

21:24 Si le laser était un flux de photons,

21:26 on pourrait s'imaginer que si on en arrête la majorité,

21:29 il ne restera qu'un photon unique de temps en temps.

21:32 Mais ce qu'il se passe plutôt si on met plein de filtres,

21:34 c'est qu'on réduit énormément l'intensité du champ,

21:37 et donc le nombre moyen d'excitations qui sont en superposition dans le faisceau.

21:42 Mais elles seront toujours délocalisées.

21:44 Un laser, ce n'est vraiment pas comme une mitraillette à photons.

21:48 Pourtant, vous savez peut-être qu'aujourd'hui,

21:51 on sait faire des sources de photons uniques, des vrais.

21:54 Et c'est même très important pour certaines expériences.

21:57 Alors, à quoi ressemblent ces photons uniques ?

22:00 Est-ce que cette fois, on a un truc qui s'apparente

22:02 à des petits grains de lumière qui se déplacent ?

22:05 Eh bien, voyons ça.

22:12 Pour faire des sources de photons uniques,

22:14 on va utiliser les transitions d'énergie des atomes.

22:17 Alors, il existe plein de méthodes,

22:19 mais sur le principe, l'idée est toujours la même.

22:22 Imaginez qu'on prenne un atome unique,

22:24 qu'il soit dans le vide électromagnétique total,

22:27 et qu'on le mette dans un état excité,

22:29 par exemple parce qu'un de ses électrons passe dans un niveau d'énergie supérieur.

22:33 Et puis, on attend qu'il se désexcite spontanément.

22:37 Et en faisant ça, il va émettre un photon.

22:40 C'est ce qu'on appelle le phénomène de l'émission spontanée.

22:43 Bon, ben voilà, on l'a, notre photon unique, là.

22:46 Vous n'allez pas me dire que là,

22:47 ce n'est pas un petit grain de lumière qui se déplace.

22:50 Exactement ce qu'imaginait Newton.

22:53 Eh ben, non, pas vraiment.

22:55 Avec le formalisme de l'électrodynamique quantique,

22:57 on peut calculer exactement ce qu'il se passe dans cette situation

23:01 et donc estimer à quoi ressemble l'état quantique du champ

23:05 qui correspond à ce photon unique.

23:07 Et surtout, où est-ce qu'il se localise ?

23:10 La façon la plus simple, c'est d'imaginer que notre atome est dans une cavité,

23:14 une boîte, qui est isolée du reste du monde,

23:17 surtout du point de vue des rayonnements électromagnétiques extérieurs.

23:20 On met l'atome au centre, on l'excite et on attend.

23:24 Il existe un modèle qui permet de calculer ce qui va se passer.

23:28 Ça s'appelle le modèle de James Cummings.

23:30 Et il nous dit que quand l'atome se désexcite,

23:33 il va effectivement mettre le champ électromagnétique

23:36 dans un état quantique à une seule excitation, un seul photon.

23:40 Sauf que si on calcule où se trouve ce photon,

23:43 eh bien, il est partout à la fois dans la cavité.

23:46 Il est complètement délocalisé.

23:48 Et comme l'atome désexcité baigne complètement là-dedans,

23:51 on peut montrer qu'au bout d'un certain temps,

23:53 il va pouvoir réabsorber le photon et revenir dans un état excité,

23:56 et même osciller entre les deux.

23:58 Et tout ça, ce n'est pas juste une expérience de pensée.

24:01 Le physicien français Serge Haroche a eu le prix Nobel de physique en 2012

24:05 pour des expériences magnifiques de ce genre qu'il a fait avec son équipe

24:09 et qui ont permis d'apprendre plein de choses,

24:11 notamment sur les phénomènes de décohérence quantique.

24:14 Vous allez me dire, OK, le photon n'est nulle part en particulier,

24:17 mais c'est à cause de cette histoire de cavité.

24:20 Si on refait la même expérience à l'air libre, si j'ose dire,

24:23 l'atome va se désexciter, le photon va se barrer,

24:26 et là on aura vraiment une petite boule de lumière qui avance en ligne droite.

24:30 Eh bien, là aussi, il existe un modèle pour calculer ça,

24:33 le modèle de Wigner-Weisskopf.

24:35 Et ce qu'il nous montre ne correspond pas tout à fait à cette intuition.

24:40 Ce qu'il faut voir, c'est que la désexcitation d'un atome

24:43 n'est pas un phénomène qui se produit à un instant précis de façon prédictible.

24:48 À partir du moment où on excite l'atome,

24:50 il a une certaine probabilité de se désexciter à chaque instant qui passe.

24:54 Et il existe un temps typique moyen de désexcitation.

24:57 Par exemple, pour un atome de néon,

25:00 ce temps typique de désexcitation est de quelques dizaines de nanosecondes.

25:04 Ça veut dire que si vous excitez votre atome à l'instant t égale zéro,

25:08 la désexcitation va se produire peut-être au tout début,

25:11 peut-être au bout de quelques nanosecondes,

25:13 peut-être plus tard, au bout d'une dizaine, d'une centaine de nanosecondes.

25:17 On ne sait pas.

25:18 Mais plus on avance dans le temps,

25:20 plus il est probable que la désexcitation ait déjà eu lieu.

25:23 La courbe de probabilité a une tête de ce genre.

25:26 Mais attention, on parle d'un phénomène quantique.

25:29 Donc ce qu'on obtient en fait dans cette situation,

25:32 ça n'est pas l'une de ses possibilités et on ne sait pas laquelle.

25:35 On obtient une superposition de toutes ces possibilités.

25:39 Notre photon émis est dans un état superposé

25:42 qui mélange tous les cas qui vont d'une désexcitation immédiate

25:46 à une désexcitation au bout d'une centaine de nanosecondes.

25:49 Et si on essaye de se demander où se trouve le photon,

25:52 disons 100 nanosecondes après le début de l'expérience,

25:55 eh bien il se trouve délocalisé sur l'ensemble de ses possibilités.

25:58 Assez concentré ici, qui correspondrait à une émission rapide,

26:02 un peu ici pour une émission un peu plus tard,

26:05 et un tout petit peu là si l'émission a pris beaucoup de temps.

26:08 On a dit que typiquement la désexcitation prenait quelques dizaines de nanosecondes.

26:13 Or, quelques dizaines de nanosecondes à la vitesse de la lumière,

26:16 c'est le temps qu'il faut pour parcourir une dizaine de mètres.

26:19 Donc notre photon unique émis par désexcitation

26:22 est dans un état qui est superposé, délocalisé sur 10 mètres de longueur.

26:27 À nouveau, on est assez loin de la petite boule de lumière qui se déplace.

26:32 Pour essayer de faire des photons plus localisés,

26:34 on pourrait chercher des transitions atomiques

26:36 qui se désexcitent beaucoup plus rapidement,

26:38 ou même d'autres phénomènes d'émission.

26:40 Mais on sera difficilement au niveau d'une localisation

26:43 de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière,

26:45 donc d'un truc qui ressemblerait à ça.

26:47 Et même si c'était le cas,

26:49 prenez la transition hyper fine de l'atome d'hydrogène.

26:52 C'est une transition entre deux niveaux très proches,

26:54 qui impliquent très peu d'énergie,

26:56 et dont la longueur d'onde associée est 21 cm.

27:00 Donc même si le photon était confiné sur quelques longueurs d'onde,

27:04 il serait quand même gros comme ça.

27:07 En conclusion, vous voyez qu'il n'y a pas beaucoup de situations concrètes

27:11 qui soient dans l'esprit de notre intuition du photon

27:13 comme une petite particule qui compose les faisceaux lumineux.

27:17 D'une part, le nombre de photons est assez indéterminé

27:20 à cause de la superposition.

27:22 D'autre part, si on essaye de leur attribuer une taille ou une position,

27:26 on est très très loin de l'image

27:28 des petits constituants alimentaires bien localisés.

27:31 L'image la plus sûre, c'est de se dire qu'un photon,

27:34 ça n'est ni plus ni moins

27:36 qu'une excitation élémentaire du champ électromagnétique quantique.

27:40 Et cette excitation n'a pas forcément une tête de particule

27:44 au sens où on a envie de se l'imaginer.

27:47 Et je trouve que réaliser ça,

27:49 ça évite de se poser de mauvaises questions sur le photon.

27:52 Par exemple, est-ce qu'un photon ralentit quand il arrive dans du vert ?

27:56 Ou encore, comment il fait pour prendre un virage à l'interface

27:59 qui soit conforme aux lois de Stelle Descartes ?

28:01 À partir du moment où on arrête de penser au photon

28:04 comme un petit paquet qui se déplace,

28:06 la question n'a plus vraiment de sens.

28:08 Dans le même genre, on dit souvent

28:10 que le photon est le médiateur des forces électromagnétiques.

28:13 Et je me suis longtemps demandé

28:15 jusqu'à quel point il fallait prendre ça littéralement.

28:18 Par exemple, quand un électron est dévié

28:20 par la force électrostatique d'une plaque chargée.

28:23 Est-ce que c'est légitime de se les imaginer tous les deux

28:26 comme se balançant des petites boules de photons ?

28:29 Eh bien non, ça ne veut pas dire grand-chose.

28:32 Quand on a un champ classique, on l'a vu,

28:34 ça correspond à toute une superposition immense d'états

28:37 à différents niveaux d'excitation.

28:39 Et ces états sont très délocalisés.

28:41 Donc non, il n'y a pas d'échange de petites boules.

28:44 Et il faut que j'arrête d'utiliser cette analogie.

28:47 Voilà, j'espère que ce petit voyage

28:49 vous aura permis d'y voir un peu plus clair

28:51 sur ce qu'est vraiment un photon

28:53 et pourquoi Willis Lamb n'a pas complètement tort

28:55 d'appeler à son bannissement.

28:57 Je voudrais pour conclure saluer

28:59 3BlueOneBrown, Looking Glass Universe

29:01 et Wiggins Optics, trois chaînes

29:03 dont les séries sur l'optique m'ont inspiré

29:05 à creuser cette question.

29:07 Et j'espère que ça répond en partie à leurs interrogations.

29:10 Merci d'avoir suivi la vidéo.

29:11 N'oubliez pas de vous abonner si ça n'est pas déjà fait

29:13 et de rejoindre toute la communauté

29:15 sur le serveur Discord de Sciences Étonnantes.

29:17 On est déjà plus de 15 000.

29:19 Et l'ambiance est excellente.

29:20 Le lien est en description.

29:22 Et puis moi, je vous dis à très vite pour une nouvelle vidéo.

29:24 A bientôt.

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