Les photons existent-ils ? 🟡

Les photons existent-ils vraiment ? Faudrait-il carrément interdire l’usage du mot « photon » ? C’est en tout cas ce que pense le très respectable physicien Willis Lamb, qui dans un article violemment intitulé « Anti-photon », affirme carrément : « Les photons ça n’existe pas », « le concept de photon n’a pas de justification scientifique ». Et Willis Lamb, c’est quand même pas n’importe qui. Il a eu le prix Nobel en 1955 précisément pour des travaux fondateurs sur le comportement quantique du rayonnement électromagnétique. Donc il sait un peu de quoi il parle. Pourquoi tant de haine envers le photon ? Pourtant, on a tous appris que le photon, c’est une particule élémentaire, au même titre que l’électron, et que la lumière est composée de photons. Donc ça doit bien exister, non ? Eh bien oui, mais vous allez voir que ça ne ressemble pas franchement à une petite boule d’énergie qui se déplace. [jingle] Pour comprendre comment on en est arrivés à parler de photons, un peu d’histoire. Dans l’antiquité, des savants comme Euclide ou Ptolémée avaient déjà modélisé la lumière comme étant formée de rayons. Et autour de l’an 1000, ce furent les savants arabes qui poursuivirent les efforts de compréhension, et notamment Al Hazen qui formalisa la première théorie moderne de l’optique. [SNELL Plus tard au XVIIe siècle en Europe, Snell et Descartes publièrent les lois de la réflexion et de la réfraction. Celles que l’on apprend au lycée et qui fondent toute l’optique géométrique, toujours autour du concept de rayon lumineux.] Mais vers la fin du XVIIe, certains ont voulu pousser plus loin et essayer de comprendre de quoi pouvaient bien être composés ces rayons lumineux. Et deux théories se sont affrontées. [NEWTON/HUYGENS D’un côté celle d’Isaac Newton, qui imaginait les rayons lumineux comme faits de petits corpuscules, des petites particules de lumière qui se déplaceraient à une certaine vitesse. Et de l’autre côté, celle de Christian Huygens — alors oui je sais, on prononce — Huygens, donc qui pensait que la lumière était en fait une onde qui se propage, comme des vagues à la surface de l’eau. Et précisons qu’à cette époque, on avait déjà une estimation assez bonne de la vitesse de la lumière, grâce à Ole Rœmer qui en observant les lunes de Jupiter l’avait estimée à 220 000 km/s.] Alors la lumière, onde ou particule ? Eh bien le débat a fait rage pendant presque un siècle entre les partisans de Newton-particules et ceux de Huygens-onde. Avant qu’en 1802, Thomas Young ne vienne siffler la fin de la récréation, et mettre tout le monde d’accord avec ses expériences de diffraction et d’interférences. [YOUNG Généralement, on parle de l’expérience de la double fente de Young, même s’il est vraisemblable qu’il ait fait quelque chose d’un peu différent. Mais le résultat est le même, il a démontré que la lumière pouvait donner lieu à des interférences, comme des ondes à la surface de l’eau. Ce qui a donné, a posteriori, raison à Huygens, et tort à Newton.] Soixante ans plus tard, en 1864, Maxwell en rajoute une couche en publiant ses fameuses équations sur la théorie électromagnétique. Or ces équations impliquent l’existence d’ondes électromagnétiques, dont Maxwell soupçonne qu’elles sont de même nature que les ondes lumineuses. Et il avait raison. En 1887, Heinrich Hertz prouve expérimentalement que ces ondes électromagnétiques existent bel et bien. Et à ce stade l’idée de particules de lumière est vraiment morte et enterrée. Absolument tout, montre que la lumière est véritablement une onde. Jusqu’en 1905 et un certain…Albert Einstein. A cette époque, Einstein s’intéresse, en autres, à l’effet photo-électrique, et en propose une interprétation audacieuse, qui semble ressusciter la théorie corpusculaire de Newton. Voyons d’abord ce qu’est cet effet photo-électrique. [PHOTOELECTRIQUE Imaginez que vous ayez un morceau de métal, que vous illuminez avec une lampe. Imaginons que cette lampe ait deux réglages : un pour la puissance, et un pour la fréquence de la lumière, sa couleur si vous voulez. Et le but de l’expérience, c’est de balancer de la lumière sur le métal dans le but de lui arracher des électrons. On imagine qu’on a un petit détecteur à électrons au-dessus qui nous dit s’il y en a qui ont effectivement été expulsés du métal. Intuitivement, on se dit que pour arracher des électrons, il suffit de taper suffisamment fort. Donc on monte la puissance de la lampe. Mais là, rien ne se passe rien, aussi puissante que soit la lampe, aucun électron n’est arraché au métal. Par contre, de façon étonnante, en jouant sur la fréquence, en l’augmentant, on se rend compte qu’au delà d’un certain seuil on arrive à arracher des électrons.] Et si on admet que la lumière est juste une onde, c’est assez contre-intuitif. Si je veux vous éclater les tympans avec du son, et que j’ai le choix de jouer sur la fréquence et sur la puissance…je vais clairement mettre le son à fond, peu importe la fréquence finalement. Alors pourquoi, pour arracher des électrons, monter la puissance de la lampe ne marche pas. Pourquoi est-ce qu’il faut franchir d’abord un seuil minimum de fréquence ? [PHOTONS Eh bien Einstein a son idée sur la question : il propose que la lumière se comporte comme si elle était faite de particules, les photons, et que l’énergie E de chaque photon soit proportionnelle à sa fréquence f. Et la constante de proportionnalité étant h, la fameuse constante de Planck, introduite quelques années plus tôt. Avec cette interprétation, pour éjecter un électron du métal, il faut qu’il se fasse taper dedans par un photon suffisamment énergétique, donc de fréquence suffisamment élevée. Et si ça n’est pas le cas, peu importe la quantité de photons qu’on balance, ça ne fera pas bouger les électrons.] Vous le savez peut-être, cette idée d’Einstein a été un des concepts clés dans la construction de la mécanique quantique. Et son interprétation prouve manifestement que Newton avait finalement un peu raison : la lumière serait, d’une façon ou d’une autre, quand même faite de particules. [CONSTITUANTS Mais est-ce que c’est vraiment le cas ? Si j’ai une source de lumière et que je fige dans le temps ses rayon lumineux, est-ce que je peux véritablement dire qu’ils sont constitués d’un flux de photons, tout comme on dit que la matière est constituée d’atomes, d’électrons, de protons ? Est-ce que le rayon est vraiment composé de petits machins bien localisés, qui sont en nombre déterminés, et se déplacent à la vitesse de la lumière quand le temps s’écoule ?] C’est important comme question, parce que c’est quand même une représentation qu’on voit partout, que j’ai probablement déjà utilisée plein de fois. Et qui peut amener des questions légitimes du genre : Où sont les photons ? Quelle taille font-ils ? Est-ce qu’ils ralentissent dans le verre, etc ? Pour savoir si ces questions ont un sens, il faut d’abord savoir si on peut vraiment dire que la lumière est d’une façon ou d’une autre constituée de petites boules qui avancent, comme l’imaginait Newton ? Eh bien, pas vraiment. On va voir que dans les théories modernes du rayonnement électromagnétique, on est assez loin de cette vision « newtonienne » de la lumière. D’ailleurs, contrairement à ce qu’on pense souvent, Einstein, dans ce fameux article sur l’effet photoélectrique, ne parle pas vraiment de particules, et encore moins de photons. Il parle de paquets d’énergie, de quantas, et il insiste surtout sur le fait que c’est l’opération d’échange, de transfert d’énergie entre la lumière et les électrons du métal qui est quantifiée. Les quantités d’énergie qui passent de l’un à l’autre ne peuvent prendre que certaines valeurs, qui sont liées à la fréquence de la lumière. Alors on pourrait dire que ça suggère quand même fortement qu’il existe dans la lumière un machin quantifié, discret, qui interagit avec la matière. Eh bien en fait même pas. [WENTZEL BECK C’est un résultat trop peu connu, mais il a été découvert plus tard qu’il est parfaitement possible d’expliquer l’effet photoélectrique avec une simple onde électromagnétique, complètement classique. Il suffit que les niveaux d’énergie des électrons, eux, soient quantifiés. Et ça suffit à expliquer le phénomène, sans qu’il y ait besoin de changer la nature de la lumière.] Pour bien saisir la différence, voici une analogie que j’ai trouvée dans un article : quand on achète du beurre au supermarché, on ne peut le faire que par plaquettes de mettons 250g. La transaction se fait par paquets quantifiés. Mais c’est juste le transfert, l’échange, ça n’empêche pas le beurre d’exister en n’importe quelle quantité. Et on ne dit pas que le beurre est constitué de plaquettes de 250g. Donc finalement, l’effet photoélectrique ne prouve pas du tout que les photons existent. Et d’ailleurs l’origine de ce mot est vraiment étrange. Ca n’est pas Einstein qui a proposé le terme de « photon », mais c’est Lewis, le chimiste, 21 ans plus tard en 1926. Et il l’a proposé pour désigner un nouveau type d’atome qu’il avait imaginé, et il insistait justement pour dire que ça n’était pas des quantas de lumière ! Comment, à partir de là, on en est venus à utiliser le mot « photon » pour désigner justement une particule de lumière, aucune idée. Alors là, vous vous dites peut-être que je sonne un peu comme un conspirationniste : 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. Alors non, je ne dis pas ça. Il existe bien quelques phénomènes dont on sait qu’il ne sont pas explicables avec une simple théorie ondulatoire. Mais je vous l’ai dit, l’effet photoélectrique n’en fait pas partie. Parmi ces phénomènes inexplicables avec juste la théorie de Maxwell, il y a l’émission spontanée de la lumière par les atomes, et on va en reparler. Et il y a aussi ce qu’on appelle le décalage de Lamb. C’est un décalage qu’on observe entre certains niveaux d’énergie atomiques, qui ne peut s’expliquer qu’en invoquant la théorie quantique du vide électromagnétique. 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, celui qui pense qu’on devrait arrêter de parler de photons. 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, et en même temps il refuse l’idée de photon comme une particule de lumière. Est-ce qu’on peut essayer de comprendre pourquoi ? 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, ce qu’on appelle l’électrodynamique quantique. On va voir que le concept de photon y existe bel et bien, mais qu’il ne désigne pas forcément ce que notre intuition voudrait y voir. Et donc dans la suite, on va se demander : de quoi le photon est-il le nom ? [jingle] Pour comprendre la théorie quantique de l’électromagnétisme, il va falloir parler de théorie quantique des champs. C’est un terme un peu effrayant qui désigne en gros la mécanique quantique 2.0, telle qu’elle est utilisée aujourd’hui pour fonder toute la physiques des particules. Mais avant de plonger dans le vif du sujet, je voudrais rappeler quelques principes de la mécanique quantique qui vont nous être utile pour comprendre cette théorie quantique des champs. Prenons une simple particule, disons un électron. Pour complètement caractériser l’état de cet électron à un instant t, j’ai besoin de deux informations : sa position, on va la noter x, et son vecteur vitesse v. Pour nous faciliter la tâche, on va imaginer que notre électron ne se déplace qu’en une dimension, comme ça on oublie les vecteurs. 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. Et si je connais les forces qui agissent sur lui, avec ça je peux calculer sa trajectoire. [PHASE Puisque l’état de l’électron est représenté par deux nombres, je peux les placer dans un diagramme. En abscisses, la position, en ordonnées, la vitesse, et donc à un instant donné, l’état de l’électron c’est un point dans ce diagramme. Et un peu plus tard, quand le temps se sera écoulé, il sera peut-être dans une autre position, et possédera une autre vitesse. Et ainsi de suite. La position et la vitesse, c’est ce qu’on appelle l’état classique de l’électron. Et puisque cet état est un point dans ce diagramme, vous voyez qu’il y a une infinité d’état classiques possibles, autant que de points dans le plan.] Maintenant quand on passe en mécanique quantique, les choses changent. Vous connaissez peut-être le principe de superposition, qui nous dit que si un électron peut être dans un état A, et dans un état B, alors il peut aussi être dans une superposition de ces deux possibilités. Et on peut superposer comme ça autant d’états qu’on veut, même une infinité. [WIGNER Graphiquement, si on peut mélanger plein de possibilités d’états, et avec différents degrés, ça veut dire qu’au lieu de représenter un état par simplement un point dans mon diagramme position/vitesse, je vais devoir considérer des situations de ce genre. Une sorte de mélange de plein de possibilités, avec des proportions plus ou moins importante en chaque point. Ca c’est un état quantique possible, ça aussi, ça aussi, etc. Et vous comprenez probablement qu’il y a infiniment plus d’état quantiques que d’états classiques. Là où avant on donnait juste deux quantités : position et vitesse, là il semble qu’on puisse avoir toutes les nuances et toutes les superpositions possibles. Il y avait déjà une infinité d’état classiques, mais là on a une infinité d’infinités d’états quantiques.] En regardant tous ces états quantiques possibles, on peut se demander : est-ce que les états classiques font partie des états quantiques ? Est-ce que je peux avoir un état quantique qui soit juste un point, avec une vitesse et une position parfaitement bien déterminée. [HEISENBERG Eh bien non, vous connaissez sans doute le principe de Heisenberg. Il nous dit qu’on ne peut pas avoir un état quantique qui soit parfaitement défini à la fois pour la position et la vitesse. Il y a donc une sorte de taille minimale que doit avoir la tâche dans le diagramme. Les valeurs de position et de vitesse ne peuvent jamais être parfaitement bien définies en même temps. Et plus l’une est définie, moins l’autre l’est. Si je veux faire un tâche très fine en position, je me retrouve avec une tâche très étalée en vitesse, et réciproquement.] Voilà pour les éléments essentiels de mécanique quantique dont on va avoir besoin. Mais je vous l’ai dit, pour comprendre la lumière et les ondes électromagnétiques, ça ne va pas être suffisant. Il va falloir passer au niveau supérieur, avec la mécanique quantique 2.0, qu’on appelle la théorie quantique des champs. La théorie quantique des champs c’est le formalisme qui est derrière toute la physique des particules modernes. Depuis les électrons jusqu’au boson de Higgs, ce qu’on appelle le modèle standard de la physique des particules est une combinaison de théories quantiques des champs. Dans notre compréhension actuelle du monde, au niveau fondamental, tout n’est que champ quantique. Mais qu’est-ce que c’est un champ quantique ? Eh bien c’est ce qu’on obtient quand on applique les principes de la mécanique quantique non pas à une simple particule, comme on l’a fait avec l’électron, mais à un champ classique. [CHAMP CLASSIQUE Le champ électromagnétique, celui que nous décrivent les équations de Maxwell, est un champ classique. En fait ce sont même deux champs, électrique et magnétique, mais comme ils sont très liés on va se simplifier la vie en ne considérant par exemple que le champ électrique. SI vous considérez un champ électrique qui remplit potentiellement tout l’espace, pour le décrire complètement il faut donner sa valeur partout. Donc une infinité de flèches de ce genre. Vous voyez que c’est beaucoup plus compliqué que de décrire une simple particule pour laquelle il fallait simplement donner deux valeurs : position et vitesse.] [CHAMP QUANTIQUE Et vous vous souvenez qu’avec l’électron, quand on voulait passer aux états quantiques, on se retrouvait avec infiniment plus de possibilités. Eh bien avec le champ électrique c’est pareil, mais encore pire. Pour décrire complètement un état quantique du champ, il faut faire une superposition de toutes les possibilités classiques. C’est un espace des états monstrueusement grand, c’est très difficile à se représenter et je vais même pas tenter d’en faire un dessin, c’est un truc énorme.] La théorie qu’on obtient en faisant ça pour le champ électromagnétique s’appelle l’électrodynamique quantique. Et à cause de cet espace des états monstrueux, elle semble bien difficile à appréhender. Heureusement en 1932, un physicien russe, Vladimir Fock, a trouvé un moyen de décrire cet espace monstrueux d’une façon un peu plus intelligible. Il s’est rendu compte qu’on pouvait le découper en sous-espaces plus petits, qui seraient classés par « nombres d’excitations », et plus un état possède de niveaux d’excitations, plus il a d’énergie. Si le champ est dans un certain état quantique, il peut posséder par exemple 1 excitation, 2 excitations, 47 excitations etc. Et ces fameuses excitations du champ électromagnétique quantique, c’est ça qu’on appelle officiellement « des photons ». Un champ qui est dans un état à 47 excitations, on dit qu’il contient 47 photons. Avec quand même une nuance très importante qui est comme toujours en mécanique quantique, ce nombre d’excitations, tout comme l’énergie, n’est pas forcément toujours bien défini. Un champ quantique peut parfois être dans un état qui soit une superposition de plein de possibilités d’excitations. Mais malgré tout, en théorie quantique des champs, on a vraiment une définition claire de ce que c’est qu’un photon. C’est un niveau d’excitation de l’état quantique du champ électromagnétique. Mais, est-ce que c’est la même chose que des particules de lumière telles que se les imaginait Newton ? Est-ce qu’une excitation du champ quantique, c’est un petit paquet d’énergie qui se déplace, ce qui nous permettrait de dire que la lumière est effectivement « composée » de ces photons, comme la matière est composée d’atomes ? Eh bien pour répondre à cette question, on va essayer d’examiner en détail l’état du champ quantique qui décrit la lumière, pour des situations de la vie de tous les jours, enfin de presque tous les jours. [jingle] Commençons avec le laser. Une des spécificités d’un laser, c’est de produire de la lumière, une onde électromagnétique, qui soit en quelque sorte très stable, très régulière, à la fois dans l’espace et dans le temps. [TRAINS A notre échelle on pourrait s’imaginer qu’un laser émet de la lumière de façon totalement continue, ininterrompue. Mais il faut s’imaginer qu’elle est plutôt faite de ce qu’on appelle des trains d’ondes, qui sont des sortes de longues vagues de champ électrique. Chacune de ces vagues n’a qu’une longueur donnée, mais c’est comme si elles se relayaient les unes les autres, donnant l’impression de continuité. Un train d’onde de laser, ça peut faire de quelques centimètres à quelques mètres, voire plusieurs kilomètres pour certains lasers ultra-stables, comme ceux qu’on utilise pour détecter les ondes gravitationnelles. Une autre caractéristique importante des lasers, c’est leur pureté du point de vue de la fréquence et donc de la longueur d’onde du champ électromagnétique. Et c’est d’ailleurs relié à la longueur du train d’onde, plus celui-ci est long, plus la fréquence sera pure.] Ce que je viens de vous décrire comme étant ce que nous fournit un laser, c’est un état classique du champ électromagnétique. Mais on peut se demander quel est l’état quantique qui lui correspond, et est-ce qu’on peut le comprendre comme étant « composé » d’un certain nombre d’excitations, de photons. Eh bien oui, on peut le faire : si je prend un train d’ondes de mon laser, il existe un état quantique qui le décrit assez bien, on appelle ça un état cohérent. Et alors, à quoi il ressemble cet état, combien d’excitations, de photons, il contient ? Eh bien la réponse n’est pas précisément définie. Un état cohérent n’a jamais un nombre fixe d’excitations. Il est toujours dans une superposition d’une infinité de possibilités différentes. Et même si on peut donner une valeur moyenne, un ordre de grandeur, la lumière d’un laser si on la fige dans le temps, on ne peut pas dire qu’elle soit composée d’un nombre fixe et bien défini d’excitations, de photons. L’autre problème, c’est que même si on oublie cette difficulté, ces excitations superposées qui composent l’état quantique, elles ne sont pas du tout réparties dans le faisceau comme on pourrait se l’imaginer. [DELOCALISATION Ca n’est pas une excitation ici, l’autre ici, l’autre là, etc. Non, elles sont toutes en quelque sorte délocalisées sur l’ensemble du train d’onde. Elles sont partout à la fois. Et comme le train d’onde peut faire plusieurs mètres de long, ça veut dire que les photons ne sont nulle part en particulier sur une telle distance.] Ce qu’on voit en regardant ces états quantiques de la lumière laser, c’est qu’on est assez conforme à l’intuition qu’avait Einstein. Il y a bien une quantification dans l’énergie qu’on échange, en nombre d’excitations, mais on est très loin de l’image du « petit grain de lumière qui se déplace », à la Newton. [NIVEAUX Si on veut vraiment trouver une image moins mauvaise, on peut faire comme si le nombre d’excitation reflétait l’intensité du champ électromagnétique. Comme si ça c’était le champ à 1 excitation, 2 excitations, 3 excitations, etc. Alors attention, c’est une image, en vrai ce que je dis est faux, c’est pas comme ça, mais c’est une image probablement beaucoup moins mauvaise que des petites boules qui se déplacent dans le faisceau.] Une conséquence de cette structure de l’état quantique de la lumière laser, c’est que si vous prenez un laser et que vous en atténuez le faisceau, par exemple avec des filtres, vous n’obtiendrez jamais vraiment des photons uniques. [ATTENUATION Si le laser était un flux de photons, on pourrait s’imaginer que si on arrête la majorité, il ne restera qu’un photon unique de temps en temps. Mais ce qu’il se passe plutôt, c’est qu’on réduit énormément l’intensité du champ, et donc le nombre moyen d’excitations qui sont en superposition dans le faisceau. Mais elles sont toujours délocalisées. Un laser n’est pas une mitraillette à photons.] Et pourtant, vous savez peut-être qu’aujourd’hui, on sait faire des sources de photons uniques, des « vraies », et c’est même très important pour certaines expériences. Alors à quoi ressemblent ces photons uniques, est-ce que cette fois on a un truc qui s’apparente à des petits grains de lumière qui se déplacent ? Eh bien voyons ça. [jingle] Pour faire des sources de photons uniques, on va utiliser les transitions d’énergie des atomes. Il existe plein de méthodes mais, sur le principe, l’idée est toujours la même. [EMISSION SPONTANEE Imaginez qu’on prenne un atome unique, qu’il soit dans le vide électromagnétique total, et qu’on le mette dans un état excité, par exemple parce qu’un de ses électrons passe dans un niveau d’énergie supérieur. Et puis on attend qu’il se désexcite spontanément. Et en faisant ça, il va émettre un photon. C’est ce qu’on appelle le phénomène de l’émission spontanée. Et ben voilà, on l’a notre photon unique. Vous allez pas me dire que là c’est pas un petit grain de lumière qui se déplace, ça. Exactement ce qu’imaginait Newton ? Eh ben non, pas exactement.] Avec le formalisme de l’électrodynamique quantique, on peut calculer exactement ce qu’il se passe dans cette situation, et donc estimer à quoi ressemble l’état quantique du champ qui correspond à ce photon unique, et surtout, où est-ce qu’il se localise ! [CAVITÉ La façon la plus simple, c’est d’imaginer que notre atome est dans une cavité, une boite, qui est isolée du reste du monde, surtout du point de vue des rayonnements électromagnétiques extérieurs. On met l’atome au centre, on l’excite, et on attend. Il existe un modèle qui permet de calculer ce qu’il va se passer, ça s’appelle le modèle de Jaynes-Cummings. Et il nous dit que quand l’atome se désexcite, il va effectivement mettre le champ électromagnétique dans un état quantique à une seule excitation, un seul photon. Sauf que si on calcule où se trouve ce photon, il est partout à la fois dans la cavité. Il est complètement délocalisé. Et comme l’atome désexcité baigne complètement là-dedans, on peut montrer qu’au bout d’un certain temps, il va pouvoir réabsorber le photon et revenir dans un état excité. Et même osciller entre les deux.] Et tout ça, c’est pas juste une expérience de pensée, le physicien français Serge Haroche a eu le prix Nobel de physique en 2012 pour des expériences magnifiques de ce genre qu’il a fait avec son équipe, et qui ont permis d’apprendre plein de choses notamment sur les phénomènes de décohérence quantique. Alors vous allez me dire, ok le photon est nulle part en particulier, mais c’est à cause de cette histoire de cavité. Si on refait la même expérience à l’air libre si j’ose dire, l’atome va se désexciter, le photon va se barrer, et là on aura vraiment une petite boule de lumière qui avance en ligne droite. Eh bien là aussi, il existe un modèle pour calculer ça, le modèle de Wigner-Weisskopf, et ce qu’il nous montre ne correspond pas tout à fait à cette intuition. Ce qu’il faut voir, c’est que la désexcitation d’un atome n’est pas un phénomène qui se produit à un instant précis de façon prédictible. A partir du moment où on excite l’atome, il a une certaine probabilité de se désexciter à chaque instant qui passe. Et il existe un temps typique moyen de désexcitation. Par exemple pour un atome de néon, pour l’état excité qui correspond à la transition rouge du laser, ce temps typique de désexcitation est de quelques dizaines de nanosecondes. [PROBA Ca veut dire que si vous excitez votre atome à l’instant t=0, la désexcitation va se produire peut-être au tout début, peut-être au bout de quelques nanosecondes, peut-être plus tard, au bout d’une dizaine ou d’une centaine de nanosecondes. On ne sait pas. Mais plus on avance dans le temps, plus il est probable que la désexcitation ait déjà eu lieu, la courbe de probabilité a une tête de ce genre. Mais attention, on parle d’un phénomène quantique, donc ce qu’on obtient en fait dans cette situation, ça n’est pas l’une de ces possibilités et on ne sait pas laquelle. On obtient une superposition de toutes ces possibilités. Notre photon émis est dans un état superposé, qui mélange tous les cas qui vont d’une désexcitation immédiate, à une désexcitation au bout d’une centaine nanosecondes. Et si on essaye de se demander où se trouve le photon disons 100 nanosecondes après l’excitation, eh bien il se trouve délocalisé sur l’ensemble de ces possibilités, assez concentré ici, qui correspond à une émission rapide, un peu ici pour une émission un peu plus tard, et un tout petit peu là si l’émission a pris beaucoup de temps.] On a dit que typiquement, la désexcitation prenait quelques dizaines de nanosecondes. Or à la vitesse de la lumière, c’est le temps qu’il faut pour parcourir une dizaine de mètres. Donc notre photon unique, émis par desexcitation, est dans un état qui est délocalisé sur 10 mètres de longueur. A nouveau, on est assez loin de la petite boule de lumière qui se déplace. Pour essayer de faire des photons plus localisés, on pourrait chercher des transitions atomiques qui se désexcitent beaucoup plus rapidement, ou même d’autres phénomènes d’émission. Mais on sera difficilement au niveau d’une localisation de l’ordre de la longueur d’onde de la lumière, donc d’un truc qui ressemblerait à ça. Et même si c’était le cas. Prenez la transition hyperfine de l’atome d’hydrogène, c’est une transition entre deux niveaux très proches, qui implique très peu d’énergie, et dont la longueur d’onde associée est 21cm. Donc même si le photon était confiné sur quelques longueurs d’onde, il serait quand même gros comme ça. Et je vous parle même pas des ondes électromagnétiques comme les ondes radios. Certaines ont des longueurs d’onde de plusieurs milliers de kilomètres. J’ai du mal à me dire qu’un photon serait conforme à notre vision traditionnelle d’une particule, sachant qu’il est partout à la fois et nulle part en particulier dans une grande vague de plusieurs milliers de kilomètres. En conclusion, vous voyez qu’il n’y a pas beaucoup de situation concrète qui soit véritablement conforme à notre intuition du photon comme petite particule qui compose les faisceaux lumineux. D’une part le nombre de photons est assez indéterminé à cause de la superposition. D’autre part si on essaye de leur attribuer une taille, on est très très loin de l’image des petits constituants élémentaires bien localisés. L’image la plus sûre, c’est de se dire qu’un photon, ça n’est ni plus ni moins qu’une excitation élémentaire du champ électromagnétique quantique, et cette excitation n’a pas forcément une tête de « particule » au sens où on a envie de se l’imaginer. [REFRACTION Et je trouve que réaliser ça, ça évite de se poser des mauvaises questions sur le photon. Par exemple est-ce qu’un photon ralentit quand il arrive dans du verre, ou encore, comment il fait pour prendre un virage qui soit conforme aux lois de Snell-Descartes. A partir du moment où on arrête de penser au photon comme un petit paquet qui se déplace, la question n’a plus vraiment de sens.] Dans le même genre, on dit souvent que le photon est le médiateur des forces électromagnétiques. Et je me suis longtemps demandé jusqu’à quel point il fallait prendre ça littéralement. Par exemple quand un électron est dévié par la force électrostatique d’une plaque chargée, est-ce que c’est légitime de se les imaginer tous les deux comme se balançant des petites boules. Eh bien non, ça veut pas dire grand chose. Quand on a un champ classique, on l’a vu, cela correspond à toute une superposition immense d’états à différents niveaux d’excitations, et ces états sont très délocalisés. Donc non, il n’y a pas d’échange de petites boules, et il faut que j’arrête d’utiliser cette analogie. Voilà j’espère que ce petit voyage vous aura permis d’y voir plus clair sur ce qu’est vraiment un photon, et pourquoi Willis Lamb n’a pas complètement tort d’appeler à son bannissement. Je voudrais pour conclure saluer 3Blue1Brown, Looking Glass Universe et Huygens Optics, trois chaines dont les séries m’ont inspiré à creuser cette question, et j’espère que cela répond en partie à leurs interrogations. Merci d’avoir suivi la vidéo, n’oubliez pas de vous abonner si c’est pas déjà fait, et de rejoindre toute la communauté sur le serveur Discord de Science étonnante, on est déjà plus de 15000 et l’ambiance est excellente, le lien est en description. Et moi je vous dit à très vite pour une nouvelle vidéo, à bientôt. MINIATURE