Qu’est-ce qu’un photon ?

Traduction personnelle de l’article original ‘What s a photon ?’ publié par Symmetry le 29 juin 2021
(auteurs Amanda Solliday et Kathryn Jepsen)

Ce que les physiciens appellent photons, d’autres l’appellent simplement lumière. En tant que quanta de lumière, les photons sont les plus petits paquets possibles d’énergie électromagnétique. Si vous lisez cet article sur un écran ou une page, des flux de photons transportent les images des mots jusqu’à vos yeux.

En science, les photons ne servent pas qu’à éclairer.

« Ils sont omniprésents« , déclare Richard Ruiz, chercheur associé à l’Institut de physique nucléaire de Cracovie, en Pologne, et théoricien à la recherche de nouvelle physique au Grand collisionneur de hadrons. « Les photons sont omniprésents dans la physique des particules, si bien qu’on les oublie presque.

Le photon a alimenté des siècles de découvertes et reste un outil important aujourd’hui.

De l’onde à la particule et au boson
L’étude de la nature de la lumière remonte à l’Antiquité, avec les premières réflexions des philosophes et des savants d’Égypte, de Mésopotamie, d’Inde et de Grèce. Entre la fin du XVIIe siècle et le début du XXe siècle, les scientifiques ont hésité sur la réponse à une question en particulier : La lumière se comporte-t-elle comme une particule ou comme une onde ?

En 1690, Christiaan Huygens publie le Traité de la Lumière. Il y décrit la lumière comme étant constituée d’ondes qui se déplacent dans l’éther, censé imprégner l’espace.

Isaac Newton a déclaré dans son livre Opticks de 1704 qu’il n’était pas d’accord. Lorsque la lumière se réfléchit sur une surface, elle agit comme une balle rebondissante : l’angle sous lequel elle s’approche de la surface est égal à l’angle sous lequel elle rebondit. Newton soutient que ce phénomène, entre autres, peut être expliqué si la lumière est composée de particules, qu’il appelle « corpuscules ».

Un prisme en verre réfracte un faisceau de lumière blanche en un arc-en-ciel de couleurs. Newton a remarqué que lorsque la lumière était à nouveau réfractée, à travers un second prisme, elle ne se divisait plus ; les couleurs de l’arc-en-ciel restaient les mêmes.

Newton a dit que cela pouvait s’expliquer en supposant que la lumière blanche était composée de nombreux corpuscules de tailles différentes. La lumière rouge est composée des corpuscules les plus grands, la lumière violette des plus petits. Selon Newton, la différence de taille des corpuscules fait qu’ils sont tirés à travers le verre à des vitesses différentes et accélérées, ce qui les répartit et produit l’arc-en-ciel. Ils s’étalaient ainsi, produisant l’arc-en-ciel de couleurs qui ne pouvaient pas être décomposées davantage par un second prisme.

Le modèle corpusculaire de Newton présente cependant un inconvénient majeur.

Lorsque la lumière traverse un petit trou, elle se propage comme des ondulations dans l’eau. Le modèle corpusculaire de Newton ne pouvait pas expliquer ce comportement, alors que le modèle ondulatoire de Huygens le pouvait.

Pourtant, les scientifiques étaient généralement enclins à rejeter Huygens et à écouter Newton – après tout, c’est lui qui a écrit les Principia, l’un des livres les plus importants de l’histoire de la science.

Mais le modèle de Huygens a reçu un certain soutien en 1801, lorsque Thomas Young a réalisé l’expérience de la double fente. Au cours de cette expérience, Young a envoyé un faisceau de lumière à travers deux petits trous, côte à côte, et a constaté que la lumière qui passait à travers eux formait un motif particulier. À intervalles réguliers, les ondulations croisées émanant des deux trous interféraient soit de manière constructive – en se combinant pour produire une lumière plus brillante – soit de manière destructive – en s’annulant l’une l’autre. Tout comme les ondes.

Environ cinq décennies plus tard, une autre expérience a définitivement mis le modèle de Huygens en tête.

En 1850, Léon Foucalt a comparé la vitesse de la lumière dans l’air à la vitesse de la lumière dans l’eau et a constaté que, contrairement aux affirmations de Newton, la lumière ne se déplaçait pas plus vite dans le milieu le plus dense. Au contraire, comme le ferait une onde, elle ralentit.

Onze ans plus tard, James Clerk Maxwell publie On Physical Lines of Force, dans lequel il prédit l’existence des ondes électromagnétiques. Maxwell a noté leur similitude avec les ondes lumineuses, ce qui l’a amené à conclure qu’il s’agissait d’une seule et même chose.

Le modèle ondulatoire de Huygens semblait l’avoir emporté. Mais en 1900, Max Planck a eu une idée qui allait donner naissance à un tout nouveau concept de la lumière.

Planck a expliqué certains comportements déroutants du rayonnement en décrivant l’énergie des ondes électromagnétiques comme étant divisée en paquets individuels. En 1905, Albert Einstein s’est appuyé sur le concept de paquets d’énergie de Planck et a finalement tranché le débat corpuscule versus onde en déclarant qu’il s’agissait d’un match nul.

Comme l’a expliqué Einstein, la lumière se comporte à la fois comme une particule et comme une onde, l’énergie de chaque particule de lumière correspondant à la fréquence de l’onde.

Il s’est appuyé sur des études de l’effet photoélectrique, c’est-à-dire la façon dont la lumière détache les électrons du métal. Si la lumière ne se propageait que sous forme d’onde continue, le fait d’éclairer un métal suffisamment longtemps délogerait toujours un électron, car l’énergie transférée par la lumière à l’électron s’accumulerait au fil du temps.

Mais l’effet photoélectrique ne fonctionne pas de cette manière. En 1902, Philipp Lenard avait observé que seule la lumière dépassant une certaine énergie – ou les ondes lumineuses dépassant une certaine fréquence – pouvait arracher un électron au métal. Et elle semblait le faire au contact, immédiatement.

Dans ce cas, la lumière se comportait davantage comme une particule, un paquet d’énergie individuel.

Toujours convaincu du modèle ondulatoire de la lumière, Robert Millikan a entrepris de réfuter l’hypothèse d’Einstein. Millikan a effectué des mesures minutieuses de la relation entre la lumière et les électrons impliqués dans l’effet photoélectrique. À sa grande surprise, il confirme chacune des prédictions d’Einstein.

L’étude d’Einstein sur l’effet photoélectrique lui a valu son unique prix Nobel en 1921.

En 1923, Arthur Compton a apporté un soutien supplémentaire au modèle de lumière d’Einstein. Compton a dirigé une lumière de haute énergie vers des matériaux et a réussi à prédire les angles auxquels les électrons libérés par les collisions se disperseraient. Pour ce faire, il a supposé que la lumière se comporterait comme de minuscules boules de billard.

Le chimiste Gilbert Lewis a trouvé un nom pour ces boules de billard. Dans une lettre adressée en 1926 à la revue Nature, il les a appelées « photons ».

La façon dont les scientifiques conçoivent les photons a continué d’évoluer au cours des dernières années. D’une part, le photon est désormais connu comme un « boson de jauge ».

Les bosons de jauge sont des particules porteuses de force qui permettent aux particules de matière d’interagir par l’intermédiaire des forces fondamentales. Les atomes, par exemple, restent ensemble parce que les protons chargés positivement dans leur noyau échangent des photons avec les électrons chargés négativement qui sont en orbite autour d’eux – une interaction via la force électromagnétique.

Deuxièmement, le photon est désormais considéré comme une particule, une onde et une excitation – un peu comme une onde – dans un champ quantique.

Un champ quantique, tel que le champ électromagnétique, est une sorte d’énergie et de potentiel répartis dans l’espace. Les physiciens considèrent chaque particule comme une excitation d’un champ quantique.

« J’aime imaginer un champ quantique comme la surface d’un étang calme où l’on ne voit rien », explique M. Ruiz. « Puis vous posez un caillou à la surface, et l’eau se soulève un peu. C’est une particule.

Les photons comme outil

Ondes radio et micro-ondes, lumière infrarouge et ultraviolette, rayons X et rayons gamma : Tous ces éléments sont de la lumière et tous sont constitués de photons.

Les photons sont à l’œuvre tout autour de vous. Ils voyagent dans les fibres connectées pour acheminer les signaux de l’internet, du câble et de la téléphonie cellulaire. Ils sont utilisés dans le recyclage des plastiques, pour décomposer les objets en petits éléments qui peuvent être utilisés dans de nouveaux matériaux. Ils sont utilisés dans les hôpitaux, dans des faisceaux qui ciblent et détruisent les tissus cancéreux.

Et ils sont essentiels à toutes sortes de recherches scientifiques.

Les photons sont essentiels en cosmologie : l’étude du passé, du présent et de l’avenir de l’univers. Les scientifiques étudient les étoiles en examinant le rayonnement électromagnétique qu’elles émettent, comme les ondes radio et la lumière visible. Les astronomes dressent des cartes de notre galaxie et de ses voisines en observant le ciel dans les micro-ondes. Ils détectent les poussières spatiales qui empêchent de voir les étoiles lointaines en détectant leur lumière infrarouge.

Les scientifiques recueillent des signaux forts, sous la forme de rayons ultraviolets, de rayons X et de rayons gamma émis par des objets énergétiques de notre galaxie et au-delà. Ils détectent également des signaux faibles, tels que le faible spectre lumineux connu sous le nom de fond diffus cosmologique, qui témoigne de l’état de l’univers quelques secondes après le Big Bang.

Les photons restent également importants en physique.

En 2012, les scientifiques du Grand collisionneur de hadrons ont découvert le boson de Higgs en étudiant sa désintégration en paires de photons.

La physicienne Donna Strickland a remporté une partie du prix Nobel de physique en 2018 pour ses travaux sur le développement d’impulsions laser ultracourtes et de haute intensité, formées à partir d’une lumière très concentrée de haute énergie.

Des machines appelées sources lumineuses créent des faisceaux intenses de rayons X, de lumière ultraviolette et de lumière infrarouge pour aider les scientifiques à décomposer les étapes des processus chimiques les plus rapides et à examiner les matériaux dans leurs moindres détails moléculaires.

« À travers le spectre électromagnétique, les photons peuvent nous fournir de nombreuses informations sur le monde », explique Jennifer Dionne, professeur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux à l’université de Stanford.

Mme Dionne mène des recherches dans le domaine de la nanophotonique, un sous-domaine de la physique dans lequel les scientifiques contrôlent la lumière et étudient ses interactions avec les molécules et les structures de taille nanométrique. Entre autres projets, son laboratoire utilise les photons pour accroître l’efficacité des catalyseurs, substances utilisées pour déclencher des réactions chimiques à haut rendement.

« La lumière – les photons – est un réactif chimique auquel on ne pense pas toujours », explique M. Dionne. « Les gens pensent souvent à ajouter de nouveaux produits chimiques pour permettre une certaine réaction ou à contrôler la température ou le pH d’une solution. La lumière peut apporter une toute nouvelle dimension et une toute nouvelle boîte à outils.

Certains physiciens recherchent même de nouveaux types de photons. Les « photons sombres » théoriques serviraient de bosons de jauge d’un nouveau genre, médiant les interactions entre les particules de matière noire.

« Les photons sont toujours pleins de surprises », explique M. Dionne.

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Article original : What is photon ? The fundamental particle of light is both ordinary and full of surprises.