Le photon réfléchi (Une introduction à l’introduction à l’électrodynamique quantique)

[Jeff Hawke]

Petit résumé pour ceux qui ont manqué les épisodes précédents.

 

Notre monde, tel que nous le révèle la physique quantique est fort étrange, en vérité. Des particules, bien que distantes semblent ne pas vouloir être séparées, refusant de se soumettre à ce qui nous apparait comme une propriété de base de l’espace où nous nous mouvons, la localité. (Fil sur le théorème de Bell).

 

L’état d’une particule n’est pas nécessairement fixé à un instant donné, ce qui pourrait avoir des conséquences sur l’état de santé d’un chat ayant la mauvaise idée de lier son sort à la particule incertaine. (Fil sur le chat de Schrödinger et la décohérence).

 

Une réponse à cette angoissante question pouvant être apportée par le déroulement du temps qui vient à bout de tout, même des indéterminations, il apparait que cette réponse peut être questionnée par des expériences de gomme quantique qui, revenant sur un état de détermination en l’indéterminant à nouveau, ébranlent le labeur du temps.

 

Voulant essayer de comprendre cette remise en cause du temps, que j’ai appelée non-localité temporelle par analogie avec la non-localité spatiale que met en évidence le théorème de Bell, je me suis heurté à la difficulté de comprendre ces relativement complexes expériences, et suis revenu prudemment sur la B.A BA du comportement des photons, l’électrodynamique quantique (souvent notée QED, Quantum Electrodynamics), inventée par le génial Dirac, et approfondie par le non moins génial Feynman, qui la raconte de façon simple dans un petit livre, Lumière et matière, une étrange histoire.

 

J’ai essayé d’exposer comment ce problème de non localité temporelle apparaissait avec le photon réfracté (Fil sur le photon et le maitre-nageur). La riche discussion qui a suivi m’a suggéré de compléter l’approche en choisissant un autre exemple, plus simple à mon avis, et d’en profiter pour décrire simplement et brièvement la façon dont Feynman expose la méthode de la QED pour expliciter (calculer, en fait) le comportement de la lumière interagissant avec la matière. Il s’agit de la réflexion partielle de la lumière sur un miroir, phénomène banal s’il en fût, présenté dans la première conférence (il ne faut pas hésiter à lire le bouquin – en français en Poche, en anglais dans un lien que j’ai donné dans le fil sur le photon et le maitre-nageur) -, pour tous les détails), et qui contient les ingrédients de l’étrangeté fondamentale de ce qui se passe.

 

Réflexion partielle

 

Le phénomène est simple à observer expérimentalement. Un rayon lumineux dirigé sur un miroir transparent est partiellement réfléchi en frappant la surface de ce miroir. Deux détecteurs de photons, un placé à l’intérieur du verre, l’autre devant, vont permettre de constater que 4% des photons sont réfléchis, et 96% continuent leur route dans le verre.

 

 

On observe maintenant ce phénomène de réflexion partielle, avec une lame de verre d’une certaine épaisseur, qui met donc en oeuvre deux réflexions, une sur la face frontale (comme précédemment) et l’autre sur la face arrière. Un raisonnement naïf /classique pourrait nous faire penser que l’on va mesurer, sur le photodétecteur placé face à la lame de verre, à peu près 8 % des photons (en fait, 4% réfléchis sur la première surface, et 4% des 96% restants sur la seconde face, ce qui fait au total 7.84 %).

 

Bon, avec un niveau de physique de secondaire, on sait que ce n’est pas ce qui est mesuré, mais quelque chose qui se situe entre 0% et 16%, selon l’épaisseur de la lame de verre.

 

 

Il y a donc une sacrée énigme là, avec nos grains de lumière. Outre le fait qu’on ne voit pas bien comment et pourquoi 4 photons sur 100 décident de se réfléchir (1er cas, « simple », avec un bloc de verre) tandis que leurs compagnons pénètrent le verre, le second cas est encore plus troublant : La probabilité de réflexion d’un photon sur la première face dépend de l’épaisseur de la lame, et/ou de ce qu’il déciderait de faire sur la seconde face, s’il décidait de ne pas se réfléchir… Dans les deux formulations, le comportement du photon au contact de la première face est conditionné par une connaissance hors de sa localité temporelle (l’épaisseur de la lame, la réflexion éventuelle sur la seconde face).

 

La lumière nous vient de la vision ondulatoire

 

Disons-le tout net et clair, et dès maintenant pour couper court aux objections des classiques. La théorie ondulatoire explique cela très bien. L’onde se réfléchit partiellement sur la première et sur la seconde face, et les décalages dus au parcours dans l’épaisseur de la lame de verre provoquent des interférences qui se mesurent sur le photodétecteur. Bon, comme d’habitude, ça explique sans expliquer (qu’est-ce que cette « onde » qui fait vibrer du vide, et quelle mouche la pique de se réfléchir à 4 % au contact d’une surface air-verre).

 

Mais il y a plus grave avec cette théorie : Elle est fausse . La lumière n’est pas une onde, mais des particules, des grains de lumière, elle est quantifiée discrètement. Un photodétecteur, quand l’intensité de la lumière qui l’atteint baisse de plus en plus, ne renvoit pas un signal continument de plus en plus faible, mais de plus en plus rare (il compte les photons)…

 

Donc désolé, même si l’ondulation des calculs permet de rendre compte des observations, la réalité n’est pas ainsi. Il y a des grains de lumières. Et ceux-ci ont un comportement étrange par rapport à l’espace et à l’écoulement du temps. Ils « interférent » comme le rappelle Arthur dans le post sur la réfraction.

 

"L’explication" de l’électrodynamique quantique

 

(…)

[mxeno]

Bonjour Jeff Hawke,

 

Vous présentez bien la question. Je veux juste faire observer que c'est, implicitement, le même problème que celui posé par les fentes de Young.

 

Comment les "grains de lumière", pris un par un, "savent-ils", à l'avance, s'il faut passer par l'une ou l'autre des fentes, pour que se forment les franges d'interférences qui caractérisent leur comportement global?

 

Comment les "grains de lumière", pris un par un, "savent-ils", à l'avance, s'ils doivent ou non se réfléchir, pour que la proportion réfléchie corresponde à l'épaisseur de la lame de verre?

[Jeff Hawke]

Je veux juste faire observer que c'est, implicitement, le même problème que celui posé par les fentes de Young.

Oui, c'est un phénomène analogue, des particules qui interférent avec elles-mêmes...

 

L'avantage que je trouve à présenter le cas de la réflexion partielle, c'est que c'est un phénomène simple et couramment observé (se mater dans une vitre), comme pour la réfraction. Et qu'il me semble mieux mettre en évidence la question de la non-localité temporelle, les réflexions partielles sur les faces antérieures et postérieures de la lame de verre étant décalées dans le temps.

 

Cela dit, je tenterais bien, après avoir présenté la "méthode" QED de Feynman, de l'illustrer avec les fentes de Young. C'est aussi dans le bouquin déjà cité.

 

Le but final étant de parvenir à bien comprendre les expériences plus récentes de gomme quantique.

[HUMAN GO TOO]

Bonjour Jeff Hawke,

 

Vous présentez bien la question. Je veux juste faire observer que c'est, implicitement, le même problème que celui posé par les fentes de Young.

 

Comment les "grains de lumière", pris un par un, "savent-ils", à l'avance, s'il faut passer par l'une ou l'autre des fentes, pour que se forment les franges d'interférences qui caractérisent leur comportement global?

 

Comment les "grains de lumière", pris un par un, "savent-ils", à l'avance, s'ils doivent ou non se réfléchir, pour que la proportion réfléchie corresponde à l'épaisseur de la lame de verre?

 

Je suis pas sûr d' avoir tout compris , et même si (par accident ) c' était le cas , je suis pas sûr de bien arriver à me faire comprendre :

 

Les grains de lumière ne " savent " RIEN ! Leur état d' intrication de départ et les règles de la MC vont dire qu' il y aura des franges d' interférences , mais si l' on intervient , en mesurant la vitesse ou en cherchant à savoir par où ils sont passés : les franges disparaissent !

 

petite parenthèse poétique sur l' intrication de départ que j' ai adoré comme parabole :

Deux coeurs qui se sont aimés , même s' ils sont séparés , ne seront jamais les mêmes que deux coeurs qui ne se sont jamais connus !

 

La mesure seule " détruit " le résultat !

 

Et si j' ai bien compris , pour éviter toute implication des instruments de mesure dans l' expérience , il FAUT éloigner ceux ci d' une manière telle que la transmission de l' information ( liée elle à la vitesse maximum finie de la lumière ) remet tout en place avec un temps qui redevient compatible avec les mesures !

 

Ce qui tend à confirmer la notion de " non - localité " !

 

Autre explication : le transfert d' info à des vitesses supraluminiques !

 

Ou alors , mais ce n' est pas ma conviction : il faut admettre l' influence du futur sur le passé , avec tout ce que ça implique comme effets ( à priori impossibles ) sur la " flèche du temps " ! Je sais que certains utilisent cette façon de voir pour expliquer les prémonitions et autres visions du futur !

 

Cet effet me semble en tout point correspondre au peu que j' ai compris de la physique cantique : L' incertitude , l' existence de 2 états simultanés , et l' impossibilité d' effectuer des mesures qui ne mèneront qu' à des paradoxes !

 

Tout ceci ne fonctionnant qu' à des dimensions macroscopiques ( donc à des distances de transfert d' informations rendant caduque la question ) , en deçà les mesures ne sont plus assez précises , et elles influencent les résultats par leur existence même !

 

Dans mon exemple du photon isolé dans l' espace dans le sujet précédent , celui qui reçoit le photon est le seul à savoir qu' il y avait un photon !

Les supposés milliards d' autres individus ne sont privés de rien , tant qu' ils ne savent pas qu' il y avait un photon à voir !

Sans l' " information " , il n' y a pas de problème !

 

Mais bon , mes connaissances " simplistes " ne vont peut être pas assez loin pour vraiment comprendre tes interrogations , mon cher Jeff !

 

.

[Jeff Hawke]

Salut Human,

 

là tu réagis surtout sur les propos et questionnements de Mxeno, à propos de l'expérience des fentes d'Young. J'essaierai d'en donner la description de l'explication que Feynman en donne dans son bouquin.

Les grains de lumière ne " savent " RIEN !

Disons que nous ne savons pas grand chose de ces grains de lumière, et de leur comportement. Il y a peu de chance qu'ils sachent quelque chose, mais la question est simplement mal formulée, sans doute (avec nos concepts d'espace et de temps).

 

Plus généralement, il me semble sage, et plus sûr, d'essayer de comprendre basiquement, point pas point, comment ça se présente et se calcule, plutôt que de se projeter dans des hypothèses spéculatives sur le temps et l'espace, tout simplement parce que nous n'avons pas l'équipement conceptuel qui va bien.

[Jeff Hawke]

En toute franchise, la QED n’explique rien, à première vue, elle ne fournit qu’une méthode de calcul pour prévoir où et combien de photons vont parvenir en un point donné, selon différentes trajectoires possibles.

 

Feynman va même jusqu’à préciser : I’m not going to explain how the photons actually « decide » whether to bounce back or go through ; that is not known (Probably the question has no meaning) (…) You will have to brace yourselves for this – not because it is difficult to understand, but because it is absolutely ridiculous.” P 24.

 

Mais il faut se méfier des formulations provocatrices dont il était coutumier, et plus généralement de l’humilité de la physique quantique. Car celle-ci explique infiniment mieux que ce qu’il faut bien appeler les fariboles de la physique classique, ce qui se trame au plus près du réel.

 

Ce qui déconcerte, c’est que ce réel est très étranger à ce que nos sens en perçoivent, et très éloigné de la façon dont nos représentation intellectuelles le construisent (J’ai déjà eu l’occasion d’en parler, j’ai la conviction qu’il y a un de nos sens qui est moins dupe que les autres, c’est notre sens mathématique).

 

Que nous propose Feynman pour décrypter le phénomène ?

 

• Des flèches d’une certaine longueur (des vecteurs, en quelque sorte) et des chronomètres…On peut fusionner ces deux représentations en une seule image, des aiguilles-flèches qui tournent (vite).
  
• Et les règles suivantes :
  
  • Les différentes flèches «tournantes» correspondant à différentes trajectoires se composent (par une addition vectorielle, en fait) pour founir une fléche résultante. .
    
  • La probabilité qu’un événement ait lieu est donnée par le carré de la longueur d’une flèche.
    

La direction et le sens de la flèche correspondant à une trajectoire sont donnés par sa position au point de détection (on arrête le chrono), avec une règle supplémentaire, la flèche s’inverse de sens sur la trajectoire qui correspond à une réflexion sur la face antérieure, et garde le même sens dans le cas de la réflexion sur la face postérieure. C’est comme ça ! (au niveau de simplification extrême de cet exemple).

 

Ainsi, dans le cas de la simple réflexion, on a une flèche de longueur 0.2, et il y a 4% (0.2 * 0.2) de trouver le photon en A. Peu importe la direction et le sens de la flèche car il n’y a qu’une trajectoire envisagée.

 

 

 

 

Avec une lame de verre (double réflexion), la probabilité va être en élevant au carré la longueur de la flèche résultant de la composition des deux vecteurs (probabilistes), celui correspondant au premier trajet, réflexion sur la face antérieure de la lame, et celui correspondant au second trajet, réflexion sur la face postérieure.

 

 

 

 

Voilà. Le photon est détecté en A après avoir potentiellement parcours deux trajectoires possibles qui construisent la probabilité de le trouver finalement en A.

 

Elémentaire, n’est-ce pas ?

 

Mais tout de même, cela vaut la peine de réfléchir un peu sur ces grains de lumière porteurs de probabilités rotatives, qui explorent plusieurs trajectoires, et se répartissent entre deux points d’arrivée (selon qu’ils se réfléchissent ou non), en composant ces probabilités, selon leur vitesse de rotation (vous ne serez pas surpris si je vous dis que la vitesse de rotation est très liée à la fréquence du photon).

[Paul émile]

Tout cela est bien intéressant ...

 

Et si ces énigmes nous montraient la voie vers d'autres dimensions ? Si les photons évoluent également dans une autre dimension ni d'espace, ni de temps nous ne pouvons percevoir que des "points de contact ".

 

Dans un monde à deux dimensions d'espace, plan comme une feuille de papier en faisant abstraction de son épaisseur, si on fait apparaître un objet en 3 dimensions, il n'est visible dans le monde à deux dimensions que par ses points de contact, le reste est "invisible" .

 

Donc si les photons, la matière telle que nous la percevons, l'univers, évoluent et existent sur d'autres plans; cela ne pourrait-il pas expliquer certaines énigmes ?

[Jeff Hawke]

Et si ces énigmes nous montraient la voie vers d'autres dimensions ?

Il y a des théories (très...théoriques) qui prévoient l'existence d'un paquet de dimensions supplémentaires, notamment les théories des cordes, mais celle-ci seraient imperceptibles car totalement "enroulées", avec une extension tout à fait ridicule (sub atomique, et de loin). C'est assez fumeux - bien que mathématique - et je ne sais pas trop comment ça peut éclaircir ces questions de (non)localité.

 

Ce qui est clair par contre, c'est que ces théories n'ont pas permis à ce jour de prévoir quoique que ce soit de nouveau, vérifiable par l'exprérience. Un truc comme l'électrodynamique quantique (qui a conduit au modéle standard, bientôt en cours de passage d'épreuve dans le LHC ) reste quand même plus fertile et productif pour notre connaissance du monde tel qu'il se comporte.

 

Si les photons évoluent également dans une autre dimension ni d'espace, ni de temps nous ne pouvons percevoir que des "points de contact ".

Qu'est-ce que pourrait être une dimension "ni d'espace, ni de temps" ?

 

Donc si les photons, la matière telle que nous la percevons, l'univers, évoluent et existent sur d'autres plans; cela ne pourrait-il pas expliquer certaines énigmes ?

Le problème avec ces types de spéculations, c'est d'essayer d'expliquer des énigmes avec des conceptions non définies précisément (les "plans de réalité"), non réfutables et donc non vérifiables.

 

Il faut, si on veut avancer en terrain ferme, procéder avec lenteur, sur des hypothèses rigoureuses, et falsifiables.

 

A ce jour par exemple, et à ma connaissance, la QED (et plus généralement, les principes formant le cadre général de la physique quantique) n'a pas été mise en défaut. C'est juste qu'on a un peu de mal à comprendre comment ça marche.

[HUMAN GO TOO]

La direction et le sens de la flèche correspondant à une trajectoire sont donnés par sa position au point de détection (on arrête le chrono), avec une règle supplémentaire, la flèche s’inverse de sens sur la trajectoire qui correspond à une réflexion sur la face antérieure, et garde le même sens dans le cas de la réflexion sur la face postérieure

 

ça , j' aime bien . . . . . . . . . . . parce que je comprends !

 

( merci de cette explication plus . . . . abordable ! )

 

Mais :

 

Et si ces énigmes nous montraient la voie vers d'autres dimensions ? Si les photons évoluent également dans une autre dimension ni d'espace, ni de temps nous ne pouvons percevoir que des "points de contact ".

 

Dans un monde à deux dimensions d'espace, plan comme une feuille de papier en faisant abstraction de son épaisseur, si on fait apparaître un objet en 3 dimensions, il n'est visible dans le monde à deux dimensions que par ses points de contact, le reste est "invisible" .

 

ça , j' aime bien aussi . . . . . . . . . . . . . . . . parce que je suis pas sûr que dans 500 ans ou 1 000 ans , la théorie quantique ne soit pas reléguée au rang des " épicycles " , avec de nouvelles découvertes , de nouvelles théories , et une compréhension différente du monde qui nous entoure ! ( et pourquoi pas cette dimension autre que le temps et l' espace ! )

 

La matière sombre et l' énergie noire pointent leur nez , sans preuve , mais ça arrangerait tout le monde si ça existait ( entendre : palpable , visible , mesurable , photographiable , etc , etc ) ! Supprimons les , et les problèmes surgissent ! ( parallèle avec les épicycles )

 

Je crois que je dois reconnaître que mon esprit bassement " matérialiste " ne se satisfait pas pleinement de ces " incertitudes " quantiques et surtout de ces " arrangements " qui aident ( presque miraculeusement ) à faire coller des trucs entre eux ! ( parallèle avec les épicycles )

 

Il n' en reste pas moins que c' est passionnant de s' y frotter , donc bravo pour cette discute , et tout ce qu' on peut y apprendre !

 

.

[Jeff Hawke]

parce que je suis pas sûr que dans 500 ans ou 1 000 ans , la théorie quantique ne soit pas reléguée au rang des " épicycles " , avec de nouvelles découvertes , de nouvelles théories , et une compréhension différente du monde qui nous entoure ! ( et pourquoi pas cette dimension autre que le temps et l' espace ! )

Disons que, pour l'instant, cette hypothèse ne s'impose pas...

 

La matière sombre et l' énergie noire pointent leur nez , sans preuve , mais ça arrangerait tout le monde si ça existait

Je crois qu'on a d'assez bonnes preuves, pour la matière noire, non ? On la "voit" (d'un point de vue gravitationnel, j'entends).

 

Je crois que je dois reconnaître que mon esprit bassement " matérialiste " ne se satisfait pas pleinement de ces " incertitudes " quantiques

Ce n'est pas le matérialisme, ça, plutôt une sorte d'idéalisme (comme Einstein).

 

et surtout de ces " arrangements " qui aident ( presque miraculeusement ) à faire coller des trucs entre eux ! ( parallèle avec les épicycles )

Mais il n'y a pas d'arrangements ! Au contraire. La physique quantique conduit à des résultats contre intuitifs ! Rien ne colle...Et on est obligé de remettre en cause notre perception du monde.

 

Il n' en reste pas moins que c' est passionnant de s' y frotter , donc bravo

Merci.

[Snark]

 

Je crois qu'on a d'assez bonnes preuves, pour la matière noire, non ? On la "voit" (d'un point de vue gravitationnel, j'entends).

 

Non, on remarque qu'il manque quelque chose pour expliquer la dynamique des galaxies et des amas de galaxies.

On ignore ce que c'est et on invente la matière noire pour essayer de faire coller (sens propre et figuré) les choses.

C'est quand même assez loin d'une preuve il me semble.

[Jeff Hawke]

Non, on remarque qu'il manque quelque chose pour expliquer la dynamique des galaxies et des amas de galaxies.

C'est ce que j'entendais par la "voir" au sens gravitationnel.

 

On ignore ce que c'est et on invente la matière noire pour essayer de faire coller (sens propre et figuré) les choses.

C'est assez courant, en science. Ce n'est pas vraiment "inventer" (qui connote une idée de sortir du chapeau) mais postuler l'existence (genre les particules "inventées" pour combler les manques dans les équations).

 

C'est quand même assez loin d'une preuve il me semble.

 

Sauf à remettre en cause la loi de l'attraction universelle (comme MOND), ça ne me parait pas plus éloigné d'une "preuve" que, par exemple, le redshift pour l'éloignement des galaxies.

 

Bon, l'énergie noire, c'est autre chose...

[ArthurDent]

Non, on remarque qu'il manque quelque chose pour expliquer la dynamique des galaxies et des amas de galaxies

Et pour expliquer les micro-lentilles gravitationnelles au voisinage des amas en collision.

Mais c' est clair que c' est pas une preuve directe.