LUMIÈRE, notion de

Découverte des photons

En même temps que se développaient de façon explosive les applications du modèle ondulatoire, quelques points obscurs embarrassaient les physiciens, en particulier ce qui touchait à l'émission de lumière par la matière. L'étude du rayonnement émis par un corps chauffé amena Max Planck (1858-1947) à proposer, à contrecœur, l'idée que le rayonnement lumineux possède une structure discontinue, granulaire, « quantifiée », en contradiction avec le modèle électromagnétique de Maxwell. Cette idée surprenante, qui semblait renouer avec le vieux modèle de Newton, trouva son plein épanouissement dans l'un des trois célèbres articles qu'Albert Einstein publia en 1905, où le grain de lumière, baptisé photon, prend place à côté de l'onde de Maxwell. Ce sont ces véloces particules, dépourvues de masse mais non d'énergie, qui véhiculent la lumière. Leur caractère de grain se manifeste chaque fois qu'elles sont en interaction avec la matière, que celle-ci les absorbe, les émette, ou simplement les fasse rebondir. En revanche, lorsqu'elles se propagent en grand nombre, comme c'est le cas dans la plupart des manifestations de la lumière à notre échelle, la « vieille » description ondulatoire est bien adaptée : dans un laser, par exemple, des atomes sont sollicités pour émettre chacun un photon. Grâce à un jeu de miroirs, ces photons emprisonnés sont contraints de se synchroniser en très grand nombre au cours de multiples allers et retours. Au bout du compte, lorsqu'ils s'échappent du laser, ils forment ainsi un faisceau de lumière d'une seule couleur (d'une seule longueur d'onde), dont l'onde est parfaitement bien ordonnée et conforme au modèle de Maxwell sur des kilomètres de longueur. Néanmoins, la réalité des photons ne fait aucun doute, et les détecteurs ultra-sensibles sont parfaitement capables de les isoler un par un.

Les particules de Newton étaient de simples petits grains ; les photons sont des particules quantiques, ce qui leur confère d'étranges comportements : si un processus donne naissance à deux photons simultanés, qui partent dans des directions opposées, il existe une sorte de couplage entre eux qui fait que, si l'on agit sur l'un, cela modifie instantanément l'autre, à quelque distance qu'il soit. Cette surprenante propriété trouvera peut-être des applications pour assurer le secret absolu des transmissions de données confidentielles.