Un photon est un type de particule élémentaire qui forme l’unité de base du rayonnement électromagnétique, qui comprend les ondes radio, l’infrarouge, la lumière visible, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma. Les photons n’ont pas de masse, pas de charge électrique et voyagent à la vitesse de la lumière. Contrairement à certaines particules, comme les protons et les neutrons, on ne pense pas qu’elles soient constituées de composants plus petits. Elles appartiennent à une classe de particules responsables des forces fondamentales de la nature et porteuses de la force électromagnétique. Selon la théorie de l’électrodynamique quantique, la façon dont les particules chargées électriquement se comportent les unes envers les autres peut être décrite en termes de photons.
Des expériences menées au XIXe siècle semblaient prouver que la lumière était composée d’ondes. Au début du 19e siècle, cependant, d’autres expériences ont indiqué qu’il était composé de particules. Bien que cela semble contradictoire, la lumière et d’autres formes de rayonnement électromagnétique se comportent en réalité comme les deux formes. Les photons sont des particules de lumière, mais ils ont également des propriétés ondulatoires, telles que la longueur d’onde et la fréquence.
Photons et matière
La matière peut interagir avec les particules de lumière de plusieurs manières. Un électron dans un atome, par exemple, peut absorber un photon, le faisant passer à un niveau d’énergie plus élevé. Avec le temps, l’électron peut revenir à un niveau d’énergie inférieur, émettant l’énergie supplémentaire sous forme de photon. L’œil est capable de détecter la lumière car certaines molécules de la rétine absorbent l’énergie des photons dans la gamme de fréquences de la lumière visible. Cette énergie est convertie en impulsions électriques qui voyagent le long du nerf optique jusqu’au cerveau.
Dans certains cas, les électrons peuvent absorber des particules de lumière ultraviolette à relativement haute énergie, puis émettre l’énergie sous forme de photons de longueur d’onde plus longue de la lumière visible, un phénomène connu sous le nom de fluorescence. Les molécules peuvent absorber de l’énergie aux fréquences infrarouges, ce qui les fait se déplacer davantage, entraînant une augmentation de la température; c’est pourquoi les objets peuvent être chauffés par la lumière du soleil ou par un radiateur électrique. Les photons de très haute énergie, tels que les rayons X et les rayons gamma, peuvent avoir un effet destructeur sur la matière. Ils ont suffisamment d’énergie pour éliminer les électrons des atomes, formant des ions chargés positivement, et pour rompre les liaisons chimiques. Ces effets provoquent des changements chimiques qui peuvent être très dommageables pour les organismes vivants.
Découverte
Le concept et la découverte du photon sont étroitement liés au développement de la théorie quantique. Vers 1900, le physicien théoricien Max Planck a trouvé une solution à un problème qui inquiétait les scientifiques depuis un certain temps, impliquant les fréquences du rayonnement électromagnétique émis par un objet à différentes températures. Il a proposé que l’énergie vienne en petites unités indivisibles, qu’il a appelées quanta. Les travaux d’Albert Einstein sur l’effet photoélectrique en 1905 ont fourni de solides preuves expérimentales que les quanta étaient réels. Ce n’est qu’en 1926, cependant, que le terme photon a été utilisé pour la première fois – par le chimiste Gilbert N. Lewis – pour décrire les quanta de lumière.
Énergie et fréquence
Planck a montré comment l’énergie d’un quantum de lumière est liée à sa fréquence. Il a défini une constante, connue sous le nom de constante de Planck, qui, multipliée par la fréquence d’un quantum de lumière, donne son énergie. Les photons haute fréquence, comme ceux des rayons X, ont donc plus d’énergie que ceux des basses fréquences, comme les ondes radio. La constante de Planck est extrêmement petite ; cependant, la plupart des sources de lumière produisent un nombre énorme de ces particules, de sorte que l’énergie totale peut être considérable.
Électrodynamique quantique
Au fur et à mesure que la théorie quantique se développait, il devint évident que les forces de la nature devaient être portées d’une manière ou d’une autre par des agents qui ne pouvaient pas voyager plus vite que la lumière, et que ces agents devaient être quantifiés : ils ne pouvaient exister que comme des multiples d’unités indivisibles. La relation entre la lumière, l’électricité et le magnétisme avait déjà été clairement établie au XIXe siècle. À cette époque, cependant, la lumière et d’autres formes de rayonnement électromagnétique étaient supposées être constituées d’ondes. Suite à la découverte des photons, une nouvelle théorie appelée électrodynamique quantique a été développée, qui expliquait comment les photons transportent la force électromagnétique.
La vitesse de la lumière
Les photons voyagent toujours à la vitesse de la lumière dans le vide, soit environ 186,000 300,000 kilomètres par seconde. Selon la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, il n’est pas possible pour un objet matériel d’atteindre cette vitesse, car la masse augmente avec la vitesse, de sorte qu’il faut de plus en plus d’énergie pour augmenter la vitesse. Les photons voyagent à la vitesse de la lumière car ils n’ont pas de masse.
La lumière peut ralentir, lorsqu’elle traverse le verre, par exemple, mais les particules lumineuses individuelles ne sont pas ralenties. Ils sont absorbés par les atomes, qui gagnent temporairement de l’énergie, la restituant rapidement sous la forme d’un autre photon de même fréquence. Cela se produit plusieurs fois lorsque la lumière traverse le verre (ou certaines autres substances), et le léger délai entre l’absorption et la libération d’énergie signifie que les particules mettent plus de temps à traverser qu’elles ne le feraient à travers l’air ou le vide. Cependant, chaque photon voyage toujours à la vitesse de la lumière.
La relativité restreinte montre que voyager à une vitesse proche de la lumière a des conséquences étranges. Par exemple, le temps ralentit par rapport aux objets qui ne bougent pas, un effet connu sous le nom de dilatation du temps. Si un astronaute accélère en s’éloignant de la Terre jusqu’à juste en dessous de la vitesse de la lumière, puis revient un an plus tard – selon son calendrier – il peut constater que dix ans se sont écoulés sur Terre. Il n’est pas possible pour un astronaute d’atteindre la vitesse de la lumière, mais de nombreuses personnes ont spéculé sur ce que la dilatation du temps signifie pour les photons. Selon la relativité restreinte, le temps doit s’arrêter complètement.
Un humain qui regarde la galaxie d’Andromède, qui se trouve à 2.2 millions d’années-lumière, voit des photons qui, de son point de vue, ont voyagé à 2.2 millions d’années-lumière et ont mis 2.2 millions d’années pour le faire. On peut dire cependant que du point de vue des photons, le trajet n’a pas du tout pris de temps et que la distance parcourue est en réalité nulle. Puisque chaque particule lumineuse est née dans une étoile et existe jusqu’à ce qu’elle frappe la rétine de l’astronome, on pourrait aussi dire que de son propre point de vue, un photon existe pour un temps nul, et donc n’existe pas du tout. Le consensus parmi les scientifiques, cependant, est qu’il n’a tout simplement pas de sens de penser aux particules de lumière comme ayant un point de vue ou expérimentant quoi que ce soit.