Au début du 20e siècle, la quasi-totalité des phénomènes lumineux s’explique en considérant la lumière comme une onde électromagnétique régie par les équations de Maxwell. Mais les physiciens sont impuissants à expliquer dans ce modèle ondulatoire un phénomène récemment découvert : l’effet photo-électrique. Einstein montre qu’il s’explique simplement si on considère la lumière comme formée de grains insécables. Le physicien américain Millikan, sceptique, décide de faire des expériences extrêmement précises pour départager les deux approches…
Au début du 20e siècle, la quasi-totalité des phénomènes lumineux s’explique en considérant la lumière comme une onde électromagnétique régie par les équations de Maxwell. Mais les physiciens sont impuissants à expliquer dans ce modèle ondulatoire un phénomène récemment découvert : l’effet photo-électrique. Einstein montre qu’il s’explique simplement si on considère la lumière comme formée de grains insécables. Le physicien américain Millikan, sceptique, décide de faire des expériences extrêmement précises pour départager les deux approches…
Au cours du 19e siècle avec Young et Fresnel, puis par la suite avec Maxwell et sa théorie électromagnétique, une théorie moderne, ondulatoire permet de bien expliquer les phénomènes d'optique. Seuls le phénomène photoélectrique et la radiation du corps noir avec la catastrophe ultraviolette posaient encore quelques problèmes. En 1900, afin d'éliminer la catastrophe ultraviolette, Planck introduit l'idée que les radiations thermiques ne puissent être émises ou absorbées que sous forme de quanta discrets [1]. En 1905, parmi les quatre papiers révolutionnaires publiés par Einstein, l'un d'entre eux [2] pose véritablement les bases de la révolution de la mécanique quantique, la théorie qui décrit ce qu'il se passe au niveau des particules. Reprenant l'idée de Planck, Einstein explique que les corpuscules ou quanta de lumière ne découlent pas seulement d'astuces théoriques, mais que ces quanta représentent la lumière même. Il donne une explication complète de l'effet photoélectrique, ce qui lui vaudra le prix Nobel en 1921. En 1924, les quanta de lumière sont détectées directement pour la première fois par effet Compton (prix Nobel en 1927). En 1926, un chimiste, du nom de Lewis, introduit le nom « photon » pour qualifier les quanta de lumière...
La physique newtonienne introduit un espace et un temps continus, mais considère la matière, décrite en termes corpusculaires, comme discontinue. Les théories de la relativité représentent aussi l'espace-temps comme un continuum. La nature de la lumière a été source de discussions depuis avant le XVIIème siècle : est-elle constituée de particules, comme le suggérait Newton, ou bien d'ondes ? Cette dernière conception impliquait cependant l'existence d'un éther électromagnétique, dont les propriétés restaient indéterminées. Telle était la version électromagnétique du débat continu / discontinu. Au début du XIXème siècle, l'interférométrie suggéra de considérer la lumière comme une onde, plus précisément une onde électromagnétique : une victoire de la vision continue. Mais au début du XIXème siècle, la révolution quantique introduisit une vision entièrement nouvelle, qui rendit caduque les descriptions de la lumière en termes d'ondes [classiques] ou de particules. Il fallait la décrire par de nouvelles entités, fonctions d'onde ou champs quantiques. Il apparut ensuite que l'on devait décrire la matière de la même manière. Dans un sens, le débat continu / discontinu était résolu : les deux aspects étaient présents dans la matière ou dans le rayonnement, tous deux quantifiés. Du point de vue mathématique, la situation peut être décrite géométriquement, sous forme de la géométrie non commutative, ou bien algébriquement, par l'emploi d'opérateurs. L'histoire ne se termine pas là. Différents arguments suggèrent que notre description actuelle de la nature n'est pas satisfaisante, et que nous devons chercher une théorie physique plus complète et plus unifiée. La plupart des physiciens estiment qu'elle doit impliquer une quantification de la gravitation, sous une forme ou sous une autre. Celle-ci pourrait se présenter comme une quantification de la géométrie elle-même. Ceci motive une grande part de la recherche actuelle en physique fondamentale, qui considère différentes approches : géométrie quantique, gravité en boucles, réseaux de spin ou réseaux causaux, triangulation dynamiques ... Chacune introduit de nouvelles conceptions de l'espace et du temps, ou ces entités géométriques apparaissent quantifiées ; comme la matière dans la théorie quantique originale, elles incorporent des caractéristiques continues et discontinues. Nous ne savons pas si l'une de ces théories se révélera adéquate. Les travaux continuent.
La fonction d'onde du photon en principe et en pratique Pendant ces trois ans, nous nous sommes intéressés à quelques sujets choisis en optique et en électrodynamique quantiques. Le fil rouge de nos interrogations est la fonction d’onde du photon. Les expériences d’optique et d’électrodynamique quantique peuvent-elles être décrites de manière simple, dans l’espace des positions, à l’aide d’une fonction d’onde décrivant le ou les photon(s) impliqués dans l’expérience ? Ce n’est pas entièrement évident :la description usuelle des photons se fait dans l’espace réciproque des vecteurs d’onde. Mais ces expériences gagnent à être décrites par la mécanique ondulatoire en représentation position, comme cela est fait dans les manuels de mécanique quantique pour des situations impliquant des particules massives. De surcroît, une expérience récente[1] a conduit à l’observation de trajectoires de photons uniques à travers un interféromètre à deux fentes d’Young.Pour essayer de décrire formellement ces trajectoires, il est naturel de formuler une mécanique ondulatoire pour les photons. Nous avons donc examiné en détail la construction formelle de la fonction d’onde du photon, un objet qui est resté peu étudié jusqu’aux années 1990. Nous avons également étudié les propriétés de la fonction d’onde du photon en présence de sources, et considéré pour ce faire divers systèmes quantiques ouverts (en interaction). Nous avons vu qu’il existe, en principe, une infinité de possibilités pour le choix de la fonction d’onde du photon.Nous avons mis en évidence un certain nombre de critères sur la base desquels il apparaît que seuls trois choix parmi tous ceux possibles sont intéressants, l’un d’entre eux ramenant à un objet introduit par Glauber [2] pour étudier la détection de la lumière et les corrélations du champ électromagnétique. Nous avons également vu qu’en l’absence de sources l’équation quantique de propagation des photons est formellement identique aux équations de Maxwell.À bas nombre de photons, le formalisme de la fonction d’onde peut se révéler très pratique. Nous avons adapté l’approche aux systèmes en interaction, en nous intéressant dans un premier temps à l’électrodynamique quantique1en cavité [3], en particulier aux expériences réalisées par le groupe de Serge Haroche [4]. Nous avons proposé un modèle simple pour la description des photons dans les cavités d’électrodynamique. À l’aide de ce modèle, et de la fonction d’onde du photon, nous avons étudié la propagation des photons s’échappant de la cavité. Nous avons également construit l’équation maîtresse de Lindblad sans introduire de sauts quantiques non unitaires (voir également [5]). Nous nous sommes enfin intéressés à la question de l’évolution spatiotemporelle d’un photon émis lors d’une désexcitation d’un électron atomique. Après avoir étudié soigneusement la dynamique de la désexcitation de l’électron, notamment aux temps très courts [6, 7], nous nous sommes attachés à décrire, aussi rigoureusement que possible, le champ électromagnétique émis. Celui-ci, de manière surprenante, n’évolue pas causalement. Si cela n’est pas entièrement inattendu au vu du théorème de Hegerfeldt, qui stipule [8] que la causalité est exclue pour les systèmes décrits par un Hamiltonien dont le spectre est borné inférieurement, nous avons identifié [9] deux autres sources de non-causalité, l’une, prédite qualitativement par Shirokov [10], et l’autre, entièrement nouvelle à notre connaissance, et dont la compréhension reste à affiner.
L'auteur examine la première approximation d'une mécanique quantique des photons dans l'espace de configuration, fondée sur les principes indiqués dans un précédent article (Journal de Physique, 1934, t. 5, p. 6). L'approximation consiste à décrire le photon par une fonction d'onde à deux composantes seulement. On obtient l'expression des composantes du champ électromagnétique, qui satisfont aux équations de Maxwell et se transforment correctement. On trouve qu'un photon d'énergie et de quantité de mouvement bien définies correspond à une lumière polarisée circulairement dans un sens déterminé. Pour le problème général de la signification des énergies negatives, ces résultats conduisent à l'interprétation suivante, à vérifier : L'énergie d'une particule est par essence une quantité positive; son signe n'indique que le sens de rotation, droit ou gauche, de certains champs attachés à la particule, et qui se confondent avec le champ electromagnétique de Maxwell si la particule est un corpuscule de lumière.
Les origines de la physique quantique remontent à Einstein et à ses réflexions sur la lumière. Au-delà de la question du repère des équations de Maxwell, deux autres phénomènes troublaient les physiciens. Il s’agissait de l’effet photoélectrique, la propriété que les métaux éclairés ont d’éjecter des électrons d’une part, et du spectre du rayonnement des corps chauffés d’autre part. L’énergie des photoélectrons était indépendante de l’intensité lumineuse et ne dépendait que de la longueur d’...