PHOTONS
Caractère quantique de la lumière et interférences
Paquet d'ondes à un photon incident
Encyclopædia Universalis France
Il y a de multiples preuves de la nécessité de quantifier le rayonnement. Cependant, dans les expériences d'optique, le caractère corpusculaire de la lumière est souvent difficile à mettre en évidence. Nous présentons ci-dessous une situation expérimentale où la description de la lumière en termes de photons est indispensable. Considérons un paquet d'ondes incident sur une lame séparatrice et deux photodétecteurs situés de part et d'autre de la lame. Si le paquet d'ondes ne contient qu'un seul photon, la lame séparatrice défléchira le photon vers l'un ou l'autre des photodétecteurs et il n'y aura jamais d'excitation simultanée des deux photodétecteurs. En revanche, en théorie classique, le paquet d'ondes est divisé en deux paquets d'ondes par la lame séparatrice et il existe une probabilité non nulle d'excitation simultanée des deux photodétecteurs. Des expériences ont été réalisées et montrent l'absence de coïncidences dans l'excitation des photodétecteurs. Ces expériences apparaissent donc comme une confirmation supplémentaire de la nécessité de la description du champ électromagnétique en termes de photons.
Comme tout objet quantique, la lumière a donc une double nature corpusculaire et ondulatoire. Le caractère corpusculaire se manifeste par la quantification de l'énergie du rayonnement et le caractère ondulatoire par la possibilité de réaliser des interférences. La dualité onde-corpuscule postulée par Albert Einstein en 1909 présente cependant ici une certaine subtilité. Dans le cas d'une particule non relativiste, comme l'électron ou le neutron, on associe à la fonction d'onde , solution de l'équation de Schrödinger, une densité de probabilité de présence pour la particule au point et à l'instant t. En revanche, dans le cas du champ électromagnétique, il n'est pas possible de définir une densité de probabilité de présence pour le photon et il serait incorrect de considérer l'onde de Maxwell comme la fonction d'onde du rayonnement. En théorie quantique du rayonnement, ce sont les amplitudes de transition d'un état initial du rayonnement vers un état final qui interfèrent.
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Écrit par
- Claude COHEN-TANNOUDJI : professeur honoraire au Collège de France
- Jacques DUPONT-ROC : directeur de recherche au C.N.R.S., laboratoire de spectroscopie hertzienne, université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie
- Gilbert GRYNBERG : directeur de recherche au C.N.R.S., laboratoire de spectroscopie hertzienne, université de Paris-VI-Pierre-et Marie-Curie, maître de conférences à l'École polytechnique
Classification
Médias
Effet photo-électrique
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Paquet d'ondes à un photon incident
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