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Les photons existent-ils ? 🟡

lecture 29:30 ソース ↗ physique quantique photon lumière électrodynamique quantique théorie quantique des champs effet photoélectrique
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Ce vidéo explore la question de l'existence des photons, examinant leur concept historique et leur définition en électrodynamique quantique, tout en démystifiant l'image populaire de la lumière comme un flux de petites particules.

  1. 0:00 Les photons existent-ils vraiment ? Faudrait-il carrément interdire l'usage du mot photon ?
  2. 0:06 C'est en tout cas ce que pense le très respectable physicien Willis Lamb,
  3. 0:11 qui dans un article violemment intitulé Antiphoton, affirme carrément les photons ça n'existe pas.
  4. 0:18 Le concept de photon n'a pas de justification scientifique.
  5. 0:22 Et Willis Lamb c'est quand même pas n'importe qui, il a eu le prix Nobel en 1955
  6. 0:26 précisément pour des travaux fondateurs sur le comportement quantique du rayonnement électromagnétique.
  7. 0:32 Donc il sait un peu de quoi il parle.
  8. 0:34 Pourquoi tant de haine envers le photon ?
  9. 0:37 Pourtant on a tous appris que le photon c'est une particule élémentaire au même titre que l'électron
  10. 0:42 et que la lumière est composée de photons.
  11. 0:45 Donc ça doit bien exister, non ?
  12. 0:47 Eh bien oui, mais vous allez voir que ça ne ressemble pas franchement
  13. 0:51 à une petite boule d'énergie qui se déplace.
  14. 0:57 Pour comprendre comment on en est arrivé à parler de photons, un peu d'histoire.
  15. 1:02 Dans l'antiquité, des savants comme Euclide ou Ptolémée avaient déjà modélisé la lumière
  16. 1:07 comme étant formée de rayons.
  17. 1:09 Et autour de l'an 1000, ce furent les savants arabes qui poursuivirent les efforts de compréhension
  18. 1:15 et notamment Al Hazen qui formalisa la première théorie moderne de l'optique.
  19. 1:21 Plus tard, au XVIIe siècle, en Europe, Snell et Descartes publièrent les lois de la réflexion et de la réfraction,
  20. 1:27 celles que l'on apprend au lycée et qui fondent toute l'optique géométrique,
  21. 1:31 toujours autour du concept de rayons lumineux.
  22. 1:34 Mais vers la fin du XVIIe, certains ont voulu pousser plus loin
  23. 1:38 et essayer de comprendre de quoi pouvaient bien être composés ces rayons lumineux.
  24. 1:43 Et deux théories se sont affrontées.
  25. 1:46 D'un côté, celle d'Isaac Newton, qui imaginait les rayons lumineux comme faits de petits corpuscules,
  26. 1:52 des petites particules de lumière qui se déplaceraient à une certaine vitesse.
  27. 1:56 Et de l'autre côté, celle de Christian Huygens,
  28. 2:00 oui alors je sais, on prononce...
  29. 2:04 Huygens donc, qui pensait que la lumière était en fait une onde qui se propage,
  30. 2:08 comme des vagues à la surface de l'eau.
  31. 2:10 Et précisons qu'à cette époque, on avait déjà une estimation assez bonne de la vitesse de la lumière,
  32. 2:15 grâce à Olé Romer qui, en observant les lunes de Jupiter,
  33. 2:19 l'avait estimée à 220 000 km par seconde.
  34. 2:22 Alors la lumière onde ou particule ?
  35. 2:25 Eh bien le débat a fait rage pendant presque un siècle
  36. 2:28 entre les partisans de Newton-particule et ceux de Huygens-onde,
  37. 2:33 avant qu'en 1802 Thomas Young ne vienne siffler la fin de la récréation
  38. 2:37 et mette tout le monde d'accord avec ses expériences de diffraction et d'interférence.
  39. 2:42 Alors généralement on parle de l'expérience de la double fente de Young,
  40. 2:45 même s'il est vraisemblable qu'il ait fait quelque chose d'un peu différent.
  41. 2:48 Mais le résultat est le même, il a démontré que la lumière pouvait donner lieu à des interférences,
  42. 2:53 comme des ondes à la surface de l'eau.
  43. 2:55 Ce qui a donné, a posteriori, raison à Huygens et tort à Newton.
  44. 3:00 60 ans plus tard, en 1864, Maxwell en rajoute une couche
  45. 3:04 en publiant ses fameuses équations sur la théorie électromagnétique.
  46. 3:08 Or ces équations impliquent l'existence d'ondes électromagnétiques
  47. 3:12 dont Maxwell soupçonne qu'elles sont de même nature que les ondes lumineuses.
  48. 3:16 Et il avait raison, en 1887 Heinrich Hertz prouve expérimentalement
  49. 3:22 que ces ondes électromagnétiques existent bel et bien.
  50. 3:25 Et à ce stade l'idée de particules de lumière est vraiment morte et enterrée,
  51. 3:29 absolument tout montre que la lumière est véritablement une onde.
  52. 3:35 Jusqu'en 1905 et un certain Albert Einstein.
  53. 3:39 A cette époque Einstein s'intéresse entre autres à l'effet photoélectrique
  54. 3:44 et en propose une interprétation audacieuse qui semble ressusciter la théorie corpusculaire de Newton.
  55. 3:50 Voyons d'abord ce qu'est cet effet photoélectrique.
  56. 3:53 Imaginez que vous ayez un morceau de métal que vous illuminez avec une lampe.
  57. 3:59 Et supposons que cette lampe ait deux réglages,
  58. 4:02 un pour la puissance et un pour la fréquence de la lumière, sa couleur si vous voulez.
  59. 4:07 Et le but de l'expérience c'est de balancer de la lumière sur le métal
  60. 4:11 dans le but de lui arracher des électrons.
  61. 4:14 On imagine qu'on a un détecteur à électrons au-dessus
  62. 4:17 qui nous dit s'il y en a qui ont effectivement été expulsés du métal.
  63. 4:21 Instructivement on se dit que pour arracher des électrons il suffit de taper suffisamment fort.
  64. 4:27 Donc on monte la puissance de la lampe.
  65. 4:30 Mais là, rien ne se passe.
  66. 4:32 Aussi puissante que soit la lampe, aucun électron n'est arraché au métal.
  67. 4:36 Par contre, de façon étonnante, en jouant sur la fréquence en l'augmentant,
  68. 4:41 on se rend compte qu'au-delà d'un certain seuil, on arrive à arracher des électrons.
  69. 4:46 Et si on admet que la lumière est juste une onde, c'est assez contre-intuitif.
  70. 4:51 Je veux dire, si je veux vous éclater les tympans avec du son
  71. 4:54 et que j'ai le choix de jouer sur la fréquence et sur la puissance,
  72. 4:56 je vais clairement mettre le son à fond, peu importe la fréquence finalement.
  73. 5:00 Alors pourquoi pour arracher des électrons, monter la puissance de la lampe ne marche pas ?
  74. 5:05 Pourquoi est-ce qu'il faut d'abord franchir un seuil minimum de fréquence ?
  75. 5:10 Eh bien Einstein a son idée sur la question.
  76. 5:12 Il propose que la lumière se comporte comme si elle était faite de particules, les photons,
  77. 5:17 et que l'énergie E de chaque photon soit proportionnelle à sa fréquence, f.
  78. 5:23 Et la constante de proportionnalité étant H, la fameuse constante de Planck
  79. 5:27 que ce dernier avait introduit quelques années plus tôt.
  80. 5:30 Avec cette interprétation, pour éjecter un électron du métal,
  81. 5:34 il faut qu'il se fasse taper dedans par un photon suffisamment énergétique,
  82. 5:38 donc de fréquence suffisamment élevée.
  83. 5:41 Et si ce n'est pas le cas, peu importe la quantité de photons qu'on balance,
  84. 5:44 ça ne fera pas bouger les électrons.
  85. 5:46 Alors vous le savez, peut-être cette idée d'Einstein a été un des concepts clés
  86. 5:50 dans la construction de la mécanique quantique.
  87. 5:52 Et son interprétation prouve manifestement que Newton avait finalement un peu raison.
  88. 5:58 La lumière serait d'une façon ou d'une autre quand même faite de particules.
  89. 6:02 Mais est-ce que c'est vraiment le cas ?
  90. 6:05 Si j'ai une source de lumière et que je la fiche dans le temps,
  91. 6:08 est-ce que ces rayons lumineux, je peux véritablement dire qu'ils sont constitués d'un flux de photons,
  92. 6:14 tout comme on dit que la matière est constituée d'atomes, d'électrons, de protons ?
  93. 6:18 Est-ce que le rayon est vraiment composé de petits machins bien localisés
  94. 6:23 qui sont en nombre déterminé et qui se déplacent à la vitesse de la lumière quand le temps s'écoule ?
  95. 6:28 C'est important comme question, parce que c'est quand même une représentation qu'on voit partout
  96. 6:32 et que j'ai probablement déjà utilisée plein de fois,
  97. 6:35 et qui peut amener des questions légitimes du genre
  98. 6:38 où sont les photons ? Quelle taille font-ils ? Est-ce qu'ils ralentissent dans du vert ?
  99. 6:43 Pour savoir si ces questions ont un sens,
  100. 6:45 il faut d'abord savoir si on peut vraiment dire que la lumière est d'une façon ou d'une autre
  101. 6:49 constituée de petites boules qui avancent, comme l'imaginait Newton.
  102. 6:53 Eh ben, pas vraiment.
  103. 6:55 On va voir que dans les théories modernes du rayonnement électromagnétique,
  104. 6:58 on est assez loin de cette vision newtonienne de la lumière.
  105. 7:02 D'ailleurs, contrairement à ce qu'on pense souvent, Einstein, dans ce fameux article sur l'effet photoélectrique,
  106. 7:08 ne parle pas vraiment de particules et encore moins de photons.
  107. 7:12 Il parle de paquets d'énergie, de quanta,
  108. 7:15 et il insiste surtout sur le fait que c'est l'opération d'échange de transferts d'énergie
  109. 7:20 entre la lumière et les électrons du métal qui est quantifiée.
  110. 7:24 Les quantités d'énergie qui passent de l'un à l'autre
  111. 7:27 ne peuvent prendre que certaines valeurs qui sont liées à la fréquence de la lumière.
  112. 7:32 Alors, on pourrait dire que ça suggère quand même fortement qu'il existe dans la lumière
  113. 7:36 un machin quantifié, un discret, qui interagit avec la matière.
  114. 7:40 En fait, même pas.
  115. 7:42 C'est un résultat trop peu connu, mais il a été découvert plus tard qu'il est parfaitement possible
  116. 7:47 d'expliquer l'effet photoélectrique avec une simple onde électromagnétique, complètement classique.
  117. 7:53 Il suffit que les niveaux d'énergie des électrons, eux, soient quantifiés.
  118. 7:57 Et ça suffit à expliquer le phénomène sans qu'il y ait besoin de changer la nature de la lumière.
  119. 8:02 Pour bien saisir la différence, voici une analogie que j'ai trouvée dans un article.
  120. 8:06 Quand on achète du beurre au supermarché, on ne peut le faire que par plaquette de, mettons, 250 grammes.
  121. 8:12 La transaction se fait par paquet quantifié, mais c'est juste le transfert, l'échange.
  122. 8:17 Ça n'empêche pas le beurre d'exister en n'importe quelle quantité.
  123. 8:21 Et on ne dit pas que le beurre est constitué de plaquettes de 250 grammes.
  124. 8:25 Donc finalement, l'effet photoélectrique ne prouve pas du tout que les photons existent.
  125. 8:30 Et d'ailleurs, l'origine de ce mot est vraiment étrange.
  126. 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.
  127. 8:40 Et il l'a proposé pour désigner un nouveau type d'atome qu'il avait imaginé.
  128. 8:44 Et il insistait justement pour dire que ça n'était pas des quantas de lumière.
  129. 8:48 Comment à partir de là, on en est venu à utiliser le mot photon pour désigner justement une particule de lumière ?
  130. 8:54 Bah, aucune idée.
  131. 8:56 Alors là, vous dites peut-être que je sonne un peu comme un conspirationniste.
  132. 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.
  133. 9:07 Alors non, en fait, je ne dis pas ça.
  134. 9:09 Il existe bien quelques phénomènes dont on sait qu'ils ne sont pas explicables avec une simple théorie ondulatoire.
  135. 9:17 Mais je vous l'ai dit, l'effet photoélectrique n'en fait pas partie.
  136. 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.
  137. 9:28 Et on va en reparler.
  138. 9:30 Et il y a aussi ce qu'on appelle le décalage de Lamb.
  139. 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.
  140. 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.
  141. 9:49 Celui qui pense qu'on devrait arrêter de parler de photons.
  142. 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,
  143. 9:58 et en même temps, il refuse l'idée de photons comme une particule de lumière.
  144. 10:03 Est-ce qu'on peut essayer de comprendre pourquoi ?
  145. 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,
  146. 10:13 ce qu'on appelle l'électrodynamique quantique.
  147. 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.
  148. 10:24 Et donc, dans la suite, on va se demander de quoi le photon est-il le nom.
  149. 10:35 Pour comprendre la théorie quantique de l'électromagnétisme, il va falloir parler de théorie quantique des champs.
  150. 10:42 C'est un terme un peu effrayant, mais qui désigne en gros la mécanique quantique 2.0,
  151. 10:47 telle qu'elle est utilisée aujourd'hui pour fonder toute la physique des particules.
  152. 10:52 Et avant de plonger dans le vif du sujet, je voudrais rappeler quelques principes de la mécanique quantique
  153. 10:57 qui vont nous être utiles pour comprendre cette théorie quantique des champs.
  154. 11:01 Prenons une simple particule, disons un électron.
  155. 11:05 Pour complètement caractériser l'état de cet électron à un instant T,
  156. 11:09 j'ai besoin de deux informations, sa position, on va la noter x, et son vecteur vitesse, v.
  157. 11:15 Pour nous faciliter la tâche, on va imaginer que notre électron ne se déplace qu'en une dimension,
  158. 11:20 comme ça on oublie les vecteurs.
  159. 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.
  160. 11:30 Et si je connais les forces qui agissent sur lui, avec ça je peux calculer sa trajectoire.
  161. 11:35 Puisque l'état de l'électron est représenté par deux nombres, je peux les placer dans un diagramme.
  162. 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.
  163. 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.
  164. 11:55 La position et la vitesse, c'est ce qu'on appelle l'état classique de l'électron.
  165. 12:00 Et puisque cet état est un point dans ce diagramme, vous voyez qu'il y a une infinité d'états classiques possibles,
  166. 12:06 autant que deux points dans le plan.
  167. 12:08 Maintenant quand on passe en mécanique quantique, les choses changent.
  168. 12:11 Vous connaissez peut-être le principe de superposition quantique,
  169. 12:15 qui nous dit que si un électron peut être dans un état A et dans un état B,
  170. 12:19 alors il peut aussi être dans une superposition de ces deux possibilités.
  171. 12:24 Et on peut superposer comme ça autant d'états qu'on veut, même une infinité.
  172. 12:30 Graphiquement, si on peut mélanger plein de possibilités d'états, et à différents degrés,
  173. 12:36 ça veut dire qu'au lieu de représenter un état par simplement un point dans mon diagramme position-vitesse,
  174. 12:41 je vais devoir considérer des situations de ce genre.
  175. 12:45 Une sorte de mélange flou de plein de possibilités avec des proportions plus ou moins importantes en chaque point.
  176. 12:51 Ça, c'est un état quantique possible.
  177. 12:54 Ça aussi, ça aussi, etc.
  178. 12:57 Et vous comprenez probablement qu'il y a infiniment plus d'états quantiques que d'états classiques.
  179. 13:02 Là où avant on donnait juste deux quantités, position et vitesse,
  180. 13:06 là il semble qu'on puisse avoir toutes les nuances et toutes les superpositions possibles.
  181. 13:10 Il y avait déjà une infinité d'états classiques, mais là on a une infinité d'infinités d'états quantiques.
  182. 13:15 En regardant tous ces états quantiques possibles, on peut se demander
  183. 13:19 est-ce que les états classiques font partie des états quantiques ?
  184. 13:23 Est-ce que je peux avoir un état quantique qui soit juste un point,
  185. 13:26 avec une vitesse et une position parfaitement bien déterminées ?
  186. 13:30 Eh bien non. Vous connaissez sans doute le principe de Heisenberg.
  187. 13:34 Il nous dit qu'on ne peut pas avoir un état quantique qui soit parfaitement défini
  188. 13:38 à la fois pour la position et pour la vitesse.
  189. 13:41 Il y a donc une sorte de taille minimale que doit avoir la tâche floue dans le diagramme.
  190. 13:47 Les valeurs de position et de vitesse ne peuvent jamais être parfaitement bien définies en même temps.
  191. 13:52 Et plus l'une est définie, moins l'autre l'est.
  192. 13:56 Si je veux faire une tâche très fine en position, je me retrouve avec une tâche très étalée en vitesse.
  193. 14:01 Et réciproquement.
  194. 14:03 Voilà pour les éléments essentiels de mécanique quantique dont on va avoir besoin ensuite.
  195. 14:07 Mais je vous l'ai dit, pour comprendre la lumière et les ondes électromagnétiques,
  196. 14:11 ça ne va pas être suffisant.
  197. 14:13 Il va falloir passer au niveau supérieur avec la mécanique quantique 2.0
  198. 14:17 qu'on appelle la théorie quantique des champs.
  199. 14:20 La théorie quantique des champs, c'est le formalisme
  200. 14:23 qui est derrière toute la physique des particules modernes,
  201. 14:26 depuis les électrons jusqu'au boson de Higgs.
  202. 14:29 Ce qu'on appelle le modèle standard de la physique des particules
  203. 14:32 est une combinaison de théorie quantique des champs.
  204. 14:36 Dans notre compréhension actuelle du monde au niveau fondamental,
  205. 14:40 tout n'est que champ quantique.
  206. 14:43 Mais qu'est-ce que c'est un champ quantique ?
  207. 14:45 C'est ce qu'on obtient quand on applique les principes de la mécanique quantique
  208. 14:49 non pas à une simple particule comme on l'a fait avec l'électron,
  209. 14:53 mais à un champ classique.
  210. 14:55 Le champ électromagnétique, celui que nous décrivent les équations de Maxwell,
  211. 14:59 est un champ classique.
  212. 15:01 En fait, ce sont même deux champs, électrique et magnétique.
  213. 15:04 Mais comme ils sont très liés, on va se simplifier la vie
  214. 15:07 en ne considérant par exemple que le champ électrique.
  215. 15:09 Si vous prenez un champ électrique qui remplit potentiellement tout l'espace,
  216. 15:13 pour le décrire complètement, il faut donner sa valeur partout.
  217. 15:17 Donc une infinité de flèches de ce genre.
  218. 15:20 Vous voyez que c'est beaucoup plus compliqué que de décrire une particule
  219. 15:23 pour laquelle il fallait simplement donner deux valeurs, position et vitesse.
  220. 15:27 Et vous vous souvenez qu'avec l'électron,
  221. 15:29 quand on voulait passer aux états quantiques,
  222. 15:31 on se retrouvait avec infiniment plus de possibilités.
  223. 15:35 Eh bien avec le champ électrique, c'est pareil, mais encore pire.
  224. 15:38 Pour décrire complètement un état quantique du champ,
  225. 15:41 il faut faire une superposition de tout un tas de possibilités classiques.
  226. 15:46 C'est un espace des états monstrueusement grand,
  227. 15:49 et c'est très difficile à se représenter.
  228. 15:51 Je ne vais même pas tenter d'en faire un dessin, c'est vraiment un truc énorme.
  229. 15:54 La théorie qu'on obtient en faisant ça pour le champ électromagnétique
  230. 15:57 s'appelle l'électrodynamique quantique.
  231. 16:00 Et à cause de cet espace des états monstrueux,
  232. 16:02 elle semble bien difficile à appréhender.
  233. 16:05 Heureusement, en 1932, un physicien russe, Vladimir Fok,
  234. 16:09 a trouvé un moyen de décrire cet espace monstrueux
  235. 16:12 d'une façon un peu plus intelligible.
  236. 16:14 Il s'est rendu compte qu'on pouvait le découper en sous-espaces plus petits
  237. 16:18 qui seraient classés par nombre d'excitation.
  238. 16:22 Et plus un état possède de niveau d'excitation, plus il a d'énergie.
  239. 16:26 Si le champ est dans un certain état quantique,
  240. 16:28 il peut posséder par exemple 1 excitation,
  241. 16:31 2 excitations, 3 excitations, 47 excitations, etc.
  242. 16:35 Et ces fameuses excitations du champ électromagnétique quantique,
  243. 16:39 c'est ça qu'on appelle officiellement des photons.
  244. 16:42 Un champ qui est dans un état quantique à 47 excitations,
  245. 16:46 on dit qu'il contient 47 photons.
  246. 16:48 Avec quand même une nuance très importante qui est,
  247. 16:51 comme toujours en mécanique quantique,
  248. 16:53 ce nombre d'excitations, tout comme l'énergie,
  249. 16:56 n'est pas forcément toujours bien défini.
  250. 16:59 Un champ quantique peut parfois être dans un état
  251. 17:02 qui soit une superposition de plein de possibilités d'excitation différentes.
  252. 17:07 Mais malgré tout, en théorie quantique des champs,
  253. 17:10 on a vraiment une définition claire de ce que c'est un photon.
  254. 17:13 C'est un niveau d'excitation de l'état quantique du champ électromagnétique.
  255. 17:18 Mais est-ce que c'est la même chose que des particules de lumière
  256. 17:22 telles que se les imaginait Newton ?
  257. 17:24 Est-ce qu'une excitation du champ quantique,
  258. 17:26 c'est un petit paquet d'énergie qui se déplace ?
  259. 17:28 Ce qui nous permettrait de dire que la lumière est effectivement composée de ces photons,
  260. 17:33 comme la matière est composée d'atomes.
  261. 17:35 Eh bien, pour répondre à cette question,
  262. 17:38 on va essayer d'examiner en détail l'état du champ quantique
  263. 17:42 qui décrit la lumière pour des situations de la vie de tous les jours.
  264. 17:46 Enfin, presque tous les jours.
  265. 17:54 Commençons avec le laser.
  266. 17:56 Une des spécificités d'un laser, c'est de produire de la lumière,
  267. 18:00 une onde électromagnétique,
  268. 18:02 qui soit en quelque sorte très stable, très régulière,
  269. 18:05 à la fois dans l'espace et dans le temps.
  270. 18:08 À notre échelle, on pourrait penser qu'un laser émet de la lumière
  271. 18:12 de façon totalement continue, ininterrompue.
  272. 18:15 Mais il faut s'imaginer qu'elle est plutôt faite de ce qu'on appelle des trains d'ondes,
  273. 18:20 qui sont des sortes de longues vagues de champs électriques.
  274. 18:23 Chacune de ces vagues n'a qu'une longueur donnée,
  275. 18:26 mais c'est comme si elles se relayaient les unes les autres,
  276. 18:29 donnant l'impression de continuité.
  277. 18:31 Un train d'onde de laser, ça peut faire de quelques centimètres à quelques mètres,
  278. 18:37 voire plusieurs kilomètres pour certains lasers ultra-stables,
  279. 18:40 comme ceux qu'on utilise pour détecter les ondes gravitationnelles.
  280. 18:44 Une autre caractéristique importante des lasers,
  281. 18:47 c'est leur pureté du point de vue de la fréquence,
  282. 18:50 et donc de la longueur d'onde du champ électromagnétique.
  283. 18:52 Et c'est d'ailleurs relié à la longueur du train d'onde.
  284. 18:55 Plus celui-ci est long, plus la fréquence sera pure.
  285. 18:59 Ce que je viens de vous décrire comme étant ce que nous fournit un laser,
  286. 19:03 c'est un état classique du champ électromagnétique.
  287. 19:06 Mais on peut se demander quel est l'état quantique qui lui correspond le mieux.
  288. 19:11 Et est-ce qu'on peut le comprendre comme étant composé
  289. 19:14 d'un certain nombre d'excitations de photons ?
  290. 19:17 Eh bien oui, on peut le faire.
  291. 19:18 Si je prends un train d'onde de mon laser,
  292. 19:20 il existe un état quantique qui le décrit assez bien.
  293. 19:24 On appelle ça un état cohérent.
  294. 19:26 Et alors à quoi il ressemble cet état ?
  295. 19:29 Combien d'excitation, combien de photons il contient ?
  296. 19:32 Eh bien la réponse n'est pas précisément définie.
  297. 19:36 Un état cohérent n'a jamais un nombre fixe d'excitation.
  298. 19:40 Il est toujours dans une superposition d'une infinité de possibilités différentes.
  299. 19:45 Et même si on peut donner une valeur moyenne à un ordre de grandeur,
  300. 19:49 la lumière d'un laser, si on la fiche dans le temps,
  301. 19:52 on ne peut pas dire qu'elle soit composée d'un nombre fixe
  302. 19:55 et bien défini d'excitation de photons.
  303. 19:58 L'autre problème, c'est que même si on oublie cette difficulté,
  304. 20:01 ces excitations superposées qui composent l'état quantique,
  305. 20:05 elles ne sont pas du tout réparties dans le faisceau comme on pourrait se l'imaginer.
  306. 20:09 Ce n'est pas une excitation ici, l'autre ici, l'autre là, etc.
  307. 20:12 Non, elles sont toutes en quelque sorte délocalisées sur l'ensemble du train d'onde.
  308. 20:18 Elles sont partout à la fois.
  309. 20:20 Et comme le train d'onde peut faire plusieurs mètres de long,
  310. 20:22 ça veut dire que les photons ne sont nulle part en particulier sur une telle distance.
  311. 20:27 Ce qu'on voit en regardant ces états quantiques de la lumière laser,
  312. 20:31 c'est qu'on est assez conforme à la première intuition qu'a Weinstein.
  313. 20:35 Il y a bien une quantification dans l'énergie qu'on échange, en nombre d'excitation.
  314. 20:41 Mais on est très loin de l'image du petit grain de lumière qui se déplace à la newton.
  315. 20:46 Si on veut vraiment trouver une image moins mauvaise,
  316. 20:49 on peut faire comme si le nombre d'excitation reflétait l'intensité du champ électromagnétique.
  317. 20:55 Comme si ça, c'était le champ pour une excitation, puis deux excitations, trois excitations, etc.
  318. 21:01 Alors attention, c'est une image. En vrai, ce que je dis est faux.
  319. 21:04 Ce n'est pas comme ça.
  320. 21:05 Mais c'est une image probablement beaucoup moins mauvaise
  321. 21:08 que des petites boules qui se déplacent dans le faisceau.
  322. 21:11 Une conséquence de cette structure de l'état quantique de la lumière laser,
  323. 21:15 c'est que si vous prenez un laser et que vous en atténuez le faisceau,
  324. 21:18 par exemple avec des filtres,
  325. 21:20 vous n'obtiendrez jamais vraiment des photons uniques.
  326. 21:24 Si le laser était un flux de photons,
  327. 21:26 on pourrait s'imaginer que si on en arrête la majorité,
  328. 21:29 il ne restera qu'un photon unique de temps en temps.
  329. 21:32 Mais ce qu'il se passe plutôt si on met plein de filtres,
  330. 21:34 c'est qu'on réduit énormément l'intensité du champ,
  331. 21:37 et donc le nombre moyen d'excitations qui sont en superposition dans le faisceau.
  332. 21:42 Mais elles seront toujours délocalisées.
  333. 21:44 Un laser, ce n'est vraiment pas comme une mitraillette à photons.
  334. 21:48 Pourtant, vous savez peut-être qu'aujourd'hui,
  335. 21:51 on sait faire des sources de photons uniques, des vrais.
  336. 21:54 Et c'est même très important pour certaines expériences.
  337. 21:57 Alors, à quoi ressemblent ces photons uniques ?
  338. 22:00 Est-ce que cette fois, on a un truc qui s'apparente
  339. 22:02 à des petits grains de lumière qui se déplacent ?
  340. 22:05 Eh bien, voyons ça.
  341. 22:12 Pour faire des sources de photons uniques,
  342. 22:14 on va utiliser les transitions d'énergie des atomes.
  343. 22:17 Alors, il existe plein de méthodes,
  344. 22:19 mais sur le principe, l'idée est toujours la même.
  345. 22:22 Imaginez qu'on prenne un atome unique,
  346. 22:24 qu'il soit dans le vide électromagnétique total,
  347. 22:27 et qu'on le mette dans un état excité,
  348. 22:29 par exemple parce qu'un de ses électrons passe dans un niveau d'énergie supérieur.
  349. 22:33 Et puis, on attend qu'il se désexcite spontanément.
  350. 22:37 Et en faisant ça, il va émettre un photon.
  351. 22:40 C'est ce qu'on appelle le phénomène de l'émission spontanée.
  352. 22:43 Bon, ben voilà, on l'a, notre photon unique, là.
  353. 22:46 Vous n'allez pas me dire que là,
  354. 22:47 ce n'est pas un petit grain de lumière qui se déplace.
  355. 22:50 Exactement ce qu'imaginait Newton.
  356. 22:53 Eh ben, non, pas vraiment.
  357. 22:55 Avec le formalisme de l'électrodynamique quantique,
  358. 22:57 on peut calculer exactement ce qu'il se passe dans cette situation
  359. 23:01 et donc estimer à quoi ressemble l'état quantique du champ
  360. 23:05 qui correspond à ce photon unique.
  361. 23:07 Et surtout, où est-ce qu'il se localise ?
  362. 23:10 La façon la plus simple, c'est d'imaginer que notre atome est dans une cavité,
  363. 23:14 une boîte, qui est isolée du reste du monde,
  364. 23:17 surtout du point de vue des rayonnements électromagnétiques extérieurs.
  365. 23:20 On met l'atome au centre, on l'excite et on attend.
  366. 23:24 Il existe un modèle qui permet de calculer ce qui va se passer.
  367. 23:28 Ça s'appelle le modèle de James Cummings.
  368. 23:30 Et il nous dit que quand l'atome se désexcite,
  369. 23:33 il va effectivement mettre le champ électromagnétique
  370. 23:36 dans un état quantique à une seule excitation, un seul photon.
  371. 23:40 Sauf que si on calcule où se trouve ce photon,
  372. 23:43 eh bien, il est partout à la fois dans la cavité.
  373. 23:46 Il est complètement délocalisé.
  374. 23:48 Et comme l'atome désexcité baigne complètement là-dedans,
  375. 23:51 on peut montrer qu'au bout d'un certain temps,
  376. 23:53 il va pouvoir réabsorber le photon et revenir dans un état excité,
  377. 23:56 et même osciller entre les deux.
  378. 23:58 Et tout ça, ce n'est pas juste une expérience de pensée.
  379. 24:01 Le physicien français Serge Haroche a eu le prix Nobel de physique en 2012
  380. 24:05 pour des expériences magnifiques de ce genre qu'il a fait avec son équipe
  381. 24:09 et qui ont permis d'apprendre plein de choses,
  382. 24:11 notamment sur les phénomènes de décohérence quantique.
  383. 24:14 Vous allez me dire, OK, le photon n'est nulle part en particulier,
  384. 24:17 mais c'est à cause de cette histoire de cavité.
  385. 24:20 Si on refait la même expérience à l'air libre, si j'ose dire,
  386. 24:23 l'atome va se désexciter, le photon va se barrer,
  387. 24:26 et là on aura vraiment une petite boule de lumière qui avance en ligne droite.
  388. 24:30 Eh bien, là aussi, il existe un modèle pour calculer ça,
  389. 24:33 le modèle de Wigner-Weisskopf.
  390. 24:35 Et ce qu'il nous montre ne correspond pas tout à fait à cette intuition.
  391. 24:40 Ce qu'il faut voir, c'est que la désexcitation d'un atome
  392. 24:43 n'est pas un phénomène qui se produit à un instant précis de façon prédictible.
  393. 24:48 À partir du moment où on excite l'atome,
  394. 24:50 il a une certaine probabilité de se désexciter à chaque instant qui passe.
  395. 24:54 Et il existe un temps typique moyen de désexcitation.
  396. 24:57 Par exemple, pour un atome de néon,
  397. 25:00 ce temps typique de désexcitation est de quelques dizaines de nanosecondes.
  398. 25:04 Ça veut dire que si vous excitez votre atome à l'instant t égale zéro,
  399. 25:08 la désexcitation va se produire peut-être au tout début,
  400. 25:11 peut-être au bout de quelques nanosecondes,
  401. 25:13 peut-être plus tard, au bout d'une dizaine, d'une centaine de nanosecondes.
  402. 25:17 On ne sait pas.
  403. 25:18 Mais plus on avance dans le temps,
  404. 25:20 plus il est probable que la désexcitation ait déjà eu lieu.
  405. 25:23 La courbe de probabilité a une tête de ce genre.
  406. 25:26 Mais attention, on parle d'un phénomène quantique.
  407. 25:29 Donc ce qu'on obtient en fait dans cette situation,
  408. 25:32 ça n'est pas l'une de ses possibilités et on ne sait pas laquelle.
  409. 25:35 On obtient une superposition de toutes ces possibilités.
  410. 25:39 Notre photon émis est dans un état superposé
  411. 25:42 qui mélange tous les cas qui vont d'une désexcitation immédiate
  412. 25:46 à une désexcitation au bout d'une centaine de nanosecondes.
  413. 25:49 Et si on essaye de se demander où se trouve le photon,
  414. 25:52 disons 100 nanosecondes après le début de l'expérience,
  415. 25:55 eh bien il se trouve délocalisé sur l'ensemble de ses possibilités.
  416. 25:58 Assez concentré ici, qui correspondrait à une émission rapide,
  417. 26:02 un peu ici pour une émission un peu plus tard,
  418. 26:05 et un tout petit peu là si l'émission a pris beaucoup de temps.
  419. 26:08 On a dit que typiquement la désexcitation prenait quelques dizaines de nanosecondes.
  420. 26:13 Or, quelques dizaines de nanosecondes à la vitesse de la lumière,
  421. 26:16 c'est le temps qu'il faut pour parcourir une dizaine de mètres.
  422. 26:19 Donc notre photon unique émis par désexcitation
  423. 26:22 est dans un état qui est superposé, délocalisé sur 10 mètres de longueur.
  424. 26:27 À nouveau, on est assez loin de la petite boule de lumière qui se déplace.
  425. 26:32 Pour essayer de faire des photons plus localisés,
  426. 26:34 on pourrait chercher des transitions atomiques
  427. 26:36 qui se désexcitent beaucoup plus rapidement,
  428. 26:38 ou même d'autres phénomènes d'émission.
  429. 26:40 Mais on sera difficilement au niveau d'une localisation
  430. 26:43 de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière,
  431. 26:45 donc d'un truc qui ressemblerait à ça.
  432. 26:47 Et même si c'était le cas,
  433. 26:49 prenez la transition hyper fine de l'atome d'hydrogène.
  434. 26:52 C'est une transition entre deux niveaux très proches,
  435. 26:54 qui impliquent très peu d'énergie,
  436. 26:56 et dont la longueur d'onde associée est 21 cm.
  437. 27:00 Donc même si le photon était confiné sur quelques longueurs d'onde,
  438. 27:04 il serait quand même gros comme ça.
  439. 27:07 En conclusion, vous voyez qu'il n'y a pas beaucoup de situations concrètes
  440. 27:11 qui soient dans l'esprit de notre intuition du photon
  441. 27:13 comme une petite particule qui compose les faisceaux lumineux.
  442. 27:17 D'une part, le nombre de photons est assez indéterminé
  443. 27:20 à cause de la superposition.
  444. 27:22 D'autre part, si on essaye de leur attribuer une taille ou une position,
  445. 27:26 on est très très loin de l'image
  446. 27:28 des petits constituants alimentaires bien localisés.
  447. 27:31 L'image la plus sûre, c'est de se dire qu'un photon,
  448. 27:34 ça n'est ni plus ni moins
  449. 27:36 qu'une excitation élémentaire du champ électromagnétique quantique.
  450. 27:40 Et cette excitation n'a pas forcément une tête de particule
  451. 27:44 au sens où on a envie de se l'imaginer.
  452. 27:47 Et je trouve que réaliser ça,
  453. 27:49 ça évite de se poser de mauvaises questions sur le photon.
  454. 27:52 Par exemple, est-ce qu'un photon ralentit quand il arrive dans du vert ?
  455. 27:56 Ou encore, comment il fait pour prendre un virage à l'interface
  456. 27:59 qui soit conforme aux lois de Stelle Descartes ?
  457. 28:01 À partir du moment où on arrête de penser au photon
  458. 28:04 comme un petit paquet qui se déplace,
  459. 28:06 la question n'a plus vraiment de sens.
  460. 28:08 Dans le même genre, on dit souvent
  461. 28:10 que le photon est le médiateur des forces électromagnétiques.
  462. 28:13 Et je me suis longtemps demandé
  463. 28:15 jusqu'à quel point il fallait prendre ça littéralement.
  464. 28:18 Par exemple, quand un électron est dévié
  465. 28:20 par la force électrostatique d'une plaque chargée.
  466. 28:23 Est-ce que c'est légitime de se les imaginer tous les deux
  467. 28:26 comme se balançant des petites boules de photons ?
  468. 28:29 Eh bien non, ça ne veut pas dire grand-chose.
  469. 28:32 Quand on a un champ classique, on l'a vu,
  470. 28:34 ça correspond à toute une superposition immense d'états
  471. 28:37 à différents niveaux d'excitation.
  472. 28:39 Et ces états sont très délocalisés.
  473. 28:41 Donc non, il n'y a pas d'échange de petites boules.
  474. 28:44 Et il faut que j'arrête d'utiliser cette analogie.
  475. 28:47 Voilà, j'espère que ce petit voyage
  476. 28:49 vous aura permis d'y voir un peu plus clair
  477. 28:51 sur ce qu'est vraiment un photon
  478. 28:53 et pourquoi Willis Lamb n'a pas complètement tort
  479. 28:55 d'appeler à son bannissement.
  480. 28:57 Je voudrais pour conclure saluer
  481. 28:59 3BlueOneBrown, Looking Glass Universe
  482. 29:01 et Wiggins Optics, trois chaînes
  483. 29:03 dont les séries sur l'optique m'ont inspiré
  484. 29:05 à creuser cette question.
  485. 29:07 Et j'espère que ça répond en partie à leurs interrogations.
  486. 29:10 Merci d'avoir suivi la vidéo.
  487. 29:11 N'oubliez pas de vous abonner si ça n'est pas déjà fait
  488. 29:13 et de rejoindre toute la communauté
  489. 29:15 sur le serveur Discord de Sciences Étonnantes.
  490. 29:17 On est déjà plus de 15 000.
  491. 29:19 Et l'ambiance est excellente.
  492. 29:20 Le lien est en description.
  493. 29:22 Et puis moi, je vous dis à très vite pour une nouvelle vidéo.
  494. 29:24 A bientôt.