Le cantique du photon : Diffraction et interférences.

[Jeff Hawke]

Les photons s'éclatent

La lumière se déplacerait en ligne droite, selon les rumeurs persistantes, et pourtant, curieusement, si on dirige un fin faisceau lumineux vers un obstacle muni d'un trou suffisamment petit, de l'autre côté ça part dans tout les sens, au lieu de continuer son bonhomme de chemin en droite ligne.

 

Les petites hélices à une pâle probabiliste introduites précédemment, vont aisément expliquer cette diffraction.

 

Et tout d'abord, par une considération simple, mais non intuitive : La lumière ne se propage pas en ligne droite. Elle passe partout entre sa source et la cible.

 

Mais seulement pour les trajets proches du trajet le plus court, les flèches présentent des directions proches au point d'arrivée, et s'ajoutent donc significativement. Tous les autres trajets s'annulent en probabilité, dans les différences de temps de parcours, impliquant des flèches orientées dans toutes les directions. D'où une probabilité résultante massivement en faveur du trajet direct.

 

Considérer les « trajets proches » est intéressant, cela nous apprend que l'essentiel du trajet de la lumière n'est pas une droite à strictement parler, mais un petit tube formé des trajets proches du trajet le plus court/rapide.

 

Maintenant, si à l'arrivée, on positionne un obstacle avec un trou suffisamment petit pour que des trajets au delà de ce trou soient égaux dans différentes directions, les flèches de probabilités jouent leur rôle et la lumière fout le camp de partout. Elle diffracte.

 

 

 

 

Donc, et à nouveau, est illustré ce comportement étrange du photon, qui « renifle » (« it smells the neighboring paths ») selon le terme employé par Feynman, un ensemble de trajets, pour se cantonner à son tube, puis changer d'avis et en sortir lors de la traversée d'un trou diffractif.

 

Interférences en loucedé

 

Pour analyser maintenant la curieuse expérience des fentes d'Young (au programme du bac C en physique en 1970 ), il nous faut introduire une règle supplémentaire sur les probabilités vectorielles rotatives, la multiplication, dans le cas d'une trajectoire composée d'une suite de trajectoires partielles (à la différence de l'addition, pour le cas de la prise en compte de plusieurs trajectoires possibles). Il s'agit bêtement d'un multiplication vectorielle (on applique une rotation, et une opération sur la longueur du vecteur).

 

Rappel ultra bref de l'expérience : La lumière qui passe entre deux trous rapprochés produit des interférences. Comme ce sont des grains de lumière (et non pas une onde), on essaie de voir par où passe chaque photon, pour comprendre comment Diable cela peut-il interférer. Les photons s'effarouchent de ce voyeurisme et les interférences disparaissent.

 

 

 

 

(...)

[ArthurDent]

C' est dommage finalement de ne pas dire plus vite que l' amplitude est un nombre complexe: ça éviterait pas mal de lourdeurs, dans le style "multiplication vectorielle" (qui risque d'être confondu avec "produit vectoriel")

[Jeff Hawke]

ça éviterait pas mal de lourdeurs, dans le style "multiplication vectorielle" (qui risque d'être confondu avec "produit vectoriel")

 

C'est le parti-pris de Feynman, d'utiliser le "visuel" des flèches tournantes. Ce n'est pas une multiplication quand on ajoute les angles et multiplie les longueurs ?

 

C'était peut-être une maladresse d'employer cette expression (par rapport au produit vectoriel, qui est différent, effectivement).

 

Par contre, le visuel des flèches, plutôt que les nombres complexes, parle sans doute plus à plus de gens...

 

(le mieux reste encore la lecture du - petit- livre )

[Dédé de St Fé]

Encore avec tes photons ?

 

Dis moi Jeff, tu sembles absorbé par ces particules insésissables

[Jeff Hawke]

Encore avec tes photons ?

 

Bah ... En fin de compte, les photons, qu'ils soient réfractés ou réfléchis, faibles ou contrastés, piqués ou flous,...sont bien le Graal de l'astram...

[Snark]

On peut considérer les photons comme une onde ou comme un grain de matière, là n'est pas l'important, mais il ne faut surtout pas oublier une caractéristique essentielle du photon qui est sa longueur d'onde, même en tant que matière.

C'est cette longueur d'onde, qui doit correspondre à quelque chose de physique, qui définit le comportement du photon dans les phénomènes de diffraction et autres fentes de Young et ce en fonction du milieu, car la distance entre atomes n'est pas assez grande pour être ignorée .

Si on néglige cette notion on travaille sans modèle ce qui permet d'imaginer bien des choses

[Jeff Hawke]

On peut considérer les photons comme une onde ou comme un grain de matière, là n'est pas l'important

Ben, sauf que ce n'est pas une onde.

 

C'est cette longueur d'onde, qui doit correspondre à quelque chose de physique, qui définit le comportement du photon dans les phénomènes de diffraction et autres fentes de Young

Une des manifestations de cette longueur d'onde, c'est la vitesse de rotation de la flèche (dans la représentation proposée par Feynman) représentant la probabilité qu'un photon soit détecté en un point.

[Invité Scopy]

Ben, sauf que ce n'est pas une onde.

Je suis une bille en physique, mais je croyais qu'en fait, le photon se comportait comme une onde tant qu'il n'avait pas interagi avec la matière.

Et que c'était après interaction qu'on pouvait le décrire comme un "grain" ??

 

Comparaison idiote, mais j'imaginais un rail.

Quand on est très au-dessus d'un rail, on voit un immense "ruban".

Quand on voit uniquement la section d'un rail, on ne peut pas vraiment imaginer que ce petit carré est en fait un très très long "ruban" ...

Je sais, c'est très primaire comme comparaison, mais j'imaginais le photon comme un rail (onde donc "long ruban" pendant le "transport") et grain (petite section carrée) après intéraction avec la matière.

 

J'ai tout faux ?? (pas de moquerie siouplaît, j'ai bien précisé que j'étais nulle en physique )

[ArthurDent]

Snark : Tu mélanges tout. Un grain de matière n' a pas de longueur d' onde, puisque ce n' est pas une onde.

 

Scopy: Tu peux même imaginer un train, ou un manège, ou un fleuve: ça sera la théorie de l' électrodynamique scopyienne. Pas la QED.

[Invité Scopy]

Scopy: Tu peux même imaginer un train, ou un manège, ou un fleuve: ça sera la théorie de l' électrodynamique scopyienne. Pas la QED.

Bon, je savais bien que ça me dépassait un peu !!

Je crois qu'il serait vain d'essayer de m'expliquer quelque chose en ce domaine ... et je me retire donc sur la pointe des pieds à la vitesse de la lumière ....

[Jeff Hawke]

Je suis une bille en physique, mais je croyais qu'en fait, le photon se comportait comme une onde tant qu'il n'avait pas interagi avec la matière.

Plus exactement, la lumière apparait selon des expériences comme une onde (interférences) ou comme un ensemble de particules (effet photoélectrique), c'est pour cela qu'on a longtemps parlé de "dualité" onde-corpuscule (Une remarque : Dès que l'on perçoit la lumière, c'est qu'elle interagit avec la matière, sur une cellule, un photodétecteur, notre rétine,...).

 

De fait, il s'agit bien de grains (c'est quantifié, ça fait clic sur un photodétecteur), mais avec un comportement bizarre (la "fréquence", les effets d'interférences) qui fait que l'on peut la décrire avec une théorie ondulatoire.

 

Quand on est très au-dessus d'un rail, on voit un immense "ruban".

Quand on voit uniquement la section d'un rail, on ne peut pas vraiment imaginer que ce petit carré est en fait un très très long "ruban" ...

Je sais, c'est très primaire comme comparaison, mais j'imaginais le photon comme un rail (onde donc "long ruban" pendant le "transport") et grain (petite section carrée) après intéraction avec la matière.

Il y a eu effectivement toutes sortes d'images utilisées pour rendre compte de la dualité onde-corpuscule, reposant plus ou moins sur l'idée qu'une vue d'ensemble fait apparaitre un truc différent de la somme des parties élémentaires.

 

Mais l'électrodynamique quantique révéle ce point très étonnant : Le photon en lui-même, tout seul comme un grand, posséde ces caractéristiques "d'ensemble" (qui le font paraitre ondulatoire).

 

La voie ferrée, et son potentiel de voyages lointains, est perceptible dans le petit bout de rail.

 

Scopy: Tu peux même imaginer un train, ou un manège, ou un fleuve: ça sera la théorie de l' électrodynamique scopyienne. Pas la QED.

Je ne pense pas que Scopy, en proposant une image pour tenter de se représenter les choses, prétendait proposer une théorie.

 

Je crois qu'il serait vain d'essayer de m'expliquer quelque chose en ce domaine ... et je me retire donc sur la pointe des pieds à la vitesse de la lumière ....

 

Ben non, ne pars pas. C'est quand même l'intérêt de ces discussions ici, non, d'essayer de se faire une idée des choses étranges (mais pas nécessairement très compliquées) du monde où nous passons quelques temps ?

[Snark]

Snark : Tu mélanges tout. Un grain de matière n' a pas de longueur d' onde, puisque ce n' est pas une onde.

 

Ah bon ? Et le microscope électronique ne fonctionne donc pas ?

 

Pour rappel:

Un microscope électronique est un type de microscope qui utilise un faisceau de particules d'électrons pour illuminer un échantillon et en créer une image très agrandie. Les microscopes électroniques ont un plus grand pouvoir de résolution que les microscopes optiques qui utilisent des rayonnements électromagnétiques et peuvent obtenir des grossissements beaucoup plus élevés allant jusqu'à 2 millions de fois, alors que les meilleurs microscopes optiques sont limitées à grossissement de 2000 fois. Les deux types de microscopes électroniques et optique ont une résolution limite, imposée par la longueur d'onde du rayonnement qu'ils utilisent. La résolution et le grossissement plus grands du microscope électronique sont dûs au fait que la longueur d'onde d'un électron (longueur d'onde de de Broglie) est beaucoup plus petite que celle d'un photon de lumière visible.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Microscope_%C3%A9lectronique

 

Toute matière est caractérisée par une longueur d'onde (De Broglie) et pour ceux qui voudraient la réduire à une simple statistique, cette longueur d'onde est de première importance dans les phénomènes de diffraction, tout comme pour une onde.

[Jeff Hawke]

Examinons donc cette curieuse et radicale pudeur des photons qui refusent d’être vus passant par un des trous, A ou B, et d’interférer en D. C’est l’un ou l’autre, fromage ou dessert.

 

 

 

 

Fromage

 

Dans l’expérience simple, sans détecteur placé ni en A, ni en B, on envoie la lumière avec un des 2 trous fermés, puis l’autre. Dans chacun des deux cas, on va récupérer, disons 1% des photons émis depuis S. Le mécanisme avec les flèches tournantes va bien nous donner ce résultat, égal dans les deux cas, les deux trous étant petits (diffraction), et de plus, relativement rapprochés.

 

Si on ouvre les deux orifices, on applique la composition des flèches tournantes, et on va trouver, non pas 2% de photons en D, mais entre 0 et 4 %, en fonction de l’écartement des trous, selon le raisonnement déjà familier tenu, avec la réflexion partielle sur une lame de verre épaisse.

 

Il y a interférences (ce qui a fait croire nos ancêtres à la nature ondulatoire de la lumière).

 

Dessert.

 

On place maintenant des détecteurs en A et B, pour observer quand ils cliquent (ou pas), et ce qu’on détecte en D. Le résultat est là, impitoyable : A et B ne cliquent jamais en même temps (le photon passe par A, ou par B, et D clique 2% du temps, indépendamment de l’écartement des trous.

 

Il n’y a plus d’interférences, les photons la jouent classique.

La QED, imperturbable, explique cela posément. Dans cette expérience, nous ne sommes plus à calculer la probabilité de détecter un photon en D, parti de S (et passé par on ne sait où), mais calculer la probabilité que le photon passe en A (détecté), puis arrive en D, ce qui fait 1% (on est dans le même cas que pour la première expérience, avec le trou B fermé), et de même en passant par B, soit à nouveau 1%. C'est-à-dire deux évènements complets (S - A - D et S - B - D), dont les probabilités s’ajoutent bêtement, donnant 2 % (on peut jouer avec les hélices pour s’assurer de la correction de ce raisonnement d’une grande simplicité).

 

Il n’empêche. C’est réellement un phénomène stupéfiant. Le fait de disposer d’une information sur le passage des photons en un point du trajet modifie ce qui est observé au bout de ce trajet.

 

Il est intéressant de constater que, si les détecteurs placés en A et B sont imparfaits, c'est à dire qu'ils "manquent" des détections de photons, on va voir réapparaitre des interférences, et ce d'autant plus que les détecteurs sont mauvais.

 

[Invité Scopy]

Je ne pense pas que Scopy, en proposant une image pour tenter de se représenter les choses, prétendait proposer une théorie.

Non, effectivement !! loin de moi cette prétention mais il faut avouer que la "théorie de l'électrodynamique scopyienne", c'est classe ...

 

Par curiosité, et sans vouloir polluer ce fil, existe-t-il d'autres particules présentant également des propriétés ondulatoires malgré une nature corpusculaire ???

[Jeff Hawke]

existe-t-il d'autres particules présentant également des propriétés ondulatoires malgré une nature corpusculaire ???

 

Ben toutes, en fait. Et même, plus généralement, tout corps massif a (aurait ?) une onde associée, selon la mécanique ondulatoire de De Broglie et Born...

 

Avec une formule (hν = mc2 ) liant la masse, la fréquence et le carré de la vitesse de la lumière qui fait que cette nature ondulatoire, flagrante pour les photons (sans masse) devient moins évidente pour des particules plus massives (les électrons interfèrent, les noyaux d'atome aussi, dans des expériences prévues pour), et disparaissnet totalement pour des objets comme des chats, ou des astrams...

 

L'onde est une onde de probabilité de nous trouver ici, plutôt que là.

[Dédé de St Fé]

Une question qui dérange car elle peut remettre en question tout ce topic

 

Comment peut-on prétendre qu'un photon est une particule

 

Celon moi, un photon n'est pas palpable, c'est rien, un peu comme la pensé, on ne peut l'attraper, vous pouvez en entasser des miliards de miliards, vous n'aurez rien de consistant

 

Ou bien, définissez-moi ce qu'est une particule

[Jeff Hawke]

Si, si, c'est palpable.

 

Sur un photodétecteur, ça fait clic.

 

Si tu en prends un paquet bien cohérent dans l'oeil (un laser vert, par exemple), ça te grille la rétine.

 

Les photons en provenance du soleil créent la queue des cométes qu'ils bombardent, par la "pression de radiation".

 

Le photon est sans masse, au repos (c'est à dire jamais ), mais il emporte de l'énergie (liée à sa fréquence). C'est un petit paquet d'énergie en déplacement rapide.

[Dédé de St Fé]

Donc suivant ton raisonement, une onde est également fait de particules

[christel]

Jeff,

 

pour les lasers cela dépend, on s'en sert pour "réparer" les micro-déchirures de la rétine et aussi pour faire des angiographies de l'oeil (après une injection de produit contrastant pour les vaisseaux sanguins)

tout est probablement affaire de calibrage et de longueur d'onde...

[Invité Scopy]

tout est probablement affaire de calibrage et de longueur d'onde...

Christel, en ophtalmologie, on utilise en général 2 lasers

- le laser Yag (qui agit en intra-oculaire)

- le laser Excimer (pour des découpes de cornée par exemple).

 

C'est le milieu actif qui caractérise me semble-t-il les lasers utilisés, un solide pour le Yag, un gaz pour l'Excimer.

 

Mille excuses pour le HS .

[Jeff Hawke]

Donc suivant ton raisonement, une onde est également fait de particules

A vrai dire, il n'y a pas d'ondes dans la nature. Il y a des particules (ou du moins, des choses discrétes, quantifiées... des quanta, quoi), et ces particules ont des caractéristiques ondulatoires plus ou moins marquées.

 

pour les lasers cela dépend, on s'en sert pour "réparer" les micro-déchirures de la rétine et aussi pour faire des angiographies de l'oeil

 

Oui, c'est vrai. Je me demande d'ailleurs comment ça marche, c'est comme un fer à souder ?

 

En tout cas, ça prouve la matérialité des photons, pour répondre à Dédé.

[christel]

merci Anne

 

Jeff, en fait l'ophtalmo fait une sorte de "couture" avec le laser tout autour de la micro-déchirure pour éviter l'agrandissement de celle-ci, ce sont des petits point serrés et l'intensité du rayon est modulable

[Dédé de St Fé]

En tout cas, ça prouve la matérialité des photons, pour répondre à Dédé.

 

Non, justement là on parle d'énergie

 

Lorsque je regarde la définition du mot particule ça dit :

"Constituant élémentaire de la matière"

 

Ou est la "matière" dans un photon ?????

[etmo]

Bonjour à Tous

Au risque d’être mal vu dans cette discussion, je pense que des mises aux points sont à faire.

· En aucun cas, la mécanique quantique parle de particules comme décrivent certains.

· Les électrons et les photons ne sont décrit que par des fonctions d’ondes. Si vous persistez dans cette représentation corpusculaire, vous ne pouvez pas comprendre les principes de calcul.

· Si on parle bien de paquet d’énergie indivisible (Photon par exemple) le caractère ondulatoire ne fait aucun doute.

· La représentation d’une particule avec une vitesse et une position pour le photon (et même l’électron) est par conséquent complètement fausse. On parle plutôt de probabilité de trouver un paquet d’énergie sous forme d’onde en un lieu donné.

· Par conséquent tracer le chemin à rebours d’un photon (comme un corpuscule) est une aberration.

· Certains parlent de clic dans un détecteur, ca ne veut pas dire qu’il y a grain de tomber dans le capteur. Mais plutôt un paquet d’énergie disponible sur une onde qui est captée par des électrons du capteur. (Onde « photon » qui modifie une autre onde « électron »)

Sans jeu de mot, j’ai l’intime conviction que cette discussion n’apporte aucune clarté pour comprendre les phénomènes électromagnétiques.

Etienne Morelle

[Jeff Hawke]

Non, justement là on parle d'énergie

 

Lorsque je regarde la définition du mot particule ça dit :

"Constituant élémentaire de la matière"

 

Ou est la "matière" dans un photon ?????

 

Effectivement, dit comme ça, un photon n'est pas de la matière, uniquement de l'énergie (qui est équivalent à une masse, selon la formule générale E=Mc² - mais pas dans le cas du photon qui est une particule relativiste - ).

[christel]

Dédé,

c'est la faute d'Albert apparemment

Le photon

[Invité Scopy]

Au risque d’être mal vu dans cette discussion, je pense que des mises aux points sont à faire

Pas de risque d'être mal vu , c'est justement enrichissant de discuter !

 

En aucun cas, la mécanique quantique parle de particules comme décrivent certains.

Je dois encore avoir tout faux, mais je pensais que la mécanique quantique était la mécanique des quanta, que sont les quanta ? (j'ai du mal à trouver une définition compréhensible hormis que c'est le pluriel de quantum )

 

Certains parlent de clic dans un détecteur, ca ne veut pas dire qu’il y a grain de tomber dans le capteur. Mais plutôt un paquet d’énergie disponible sur une onde qui est captée par des électrons du capteur. (Onde « photon » qui modifie une autre onde « électron »)

D'accord, ça j'arrive à comprendre. Mais quand "l'onde photon" arrive sur le détecteur, ne devient-elle pas le corpuscule photon puisqu'elle interagit avec la matière ?

[christel]

Anne,

un quanta est un paquet de photons (c'est expliqué dans le lien que j'ai mis )

s'te plaît me demandes pas la quantité par paquet, j'en sais rien !

[Dédé de St Fé]

Oui, il y a quantique et quanta, et il y a cantique et Cantat , vous remarquerez que ces deux termes sont toujours liés par une masse manquante

[etmo]

Je dois encore avoir tout faux, mais je pensais que la mécanique quantique était la mécanique des quanta, que sont les quanta ? (j'ai du mal à trouver une définition compréhensible hormis que c'est le pluriel de quantum )

 

D'accord, ça j'arrive à comprendre. Mais quand "l'onde photon" arrive sur le détecteur, ne devient-elle pas le corpuscule photon puisqu'elle interagit avec la matière ?

 

Le Quantum est un paquet d'énergie sous forme d'ondes (Electron, Photon et même toute forme de matière). Mais pas sous forme corpuscule (vitesse et position de la mécanique classique).

Pourquoi un photon devrait-il se transformer en un corpuscule pour agir sur la matière (une autre forme d'ondes) dans le cadre de la mécanique quantique.