Energie d´une onde éléctromagnétique, d´un photon

[Bartolomeo]

Bonjour,

mon message est un peu la suite de celui posté il y a quelque année trouvé grace à google:
http://forums.futura-sciences.com/ph...agnetique.html

Il y à un truc qui me dérange dans la définition de l´énergie d´une onde éléctromagnétique. Je connais l´énergie d´un photon: et le photon est une onde éléctromagnétique (dualité onde/particule) alors dire que l´énergie d´une onde électromagnétique dépends de la densité (y a pas de densité un photon c´est une onde) et que l énergie dépends seulement de l´amplitude, ca bloque avec ce que j´ai appris en physique des particules.

Merci de m´éclairer là dessus!
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[Coincoin]

Salut,
Une onde, c'est un ensemble de photons. Chaque photon a une énergie qui ne dépend que de sa fréquence, mais l'énergie totale de l'onde dépend du nombre de photons qu'elle contient.

[Bartolomeo]

mais c´est là que ca bloque: j´ai appris que le photon lui même est une onde.
Donc parler d´onde en disant que c´est un ensemble de photons c´est définir une chose par elle même.

[Coincoin]

C'est comme de dire qu'une pièce de monnaie est de l'argent alors que l'argent est une somme de pièces de monnaie. Tu peux avoir autant d'argent que tu veux dans ton porte-monnaie, mais chaque pièce ne peut prendre que certaines valeurs.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitea774bcd7]

Un seul photon, c'est juste une onde ayant une densité extrêmement faible

Je plaisante mais c'est ça

[Bartolomeo]

C'est comme de dire qu'une pièce de monnaie est de l'argent alors que l'argent est une somme de pièces de monnaie. Tu peux avoir autant d'argent que tu veux dans ton porte-monnaie, mais chaque pièce ne peut prendre que certaines valeurs.

Ca ca me plais! Bel exemple! J´achète!

[mariposa]

mais c´est là que ca bloque: j´ai appris que le photon lui même est une onde.

J'espère que tu n'as pas appris çà à l'école car c'est faux.

Le rapport entre le photon (concept quantique) et l'onde électromagnétique (concept classique) n'est pas simple.

Toutefois a haute intensité on a une égalité entre le nombre de photons dans un volume fois l'énergie d'un photon soit n.hw

et

l'intégrale du carré du champ électrique dans ce même volume (a une constante près).

[Bartolomeo]

Un photon peut être considéré comme une onde selon où l´on se place, c´est une modélisation confirmé par la nature au niveau microscopique, donc ce n´est pas forcément faux.

Dans le sujet pour lequel j´ai donné le lien ds le premier message, il est dit que l´énergie dépendait du carré de l´amplitude de l´onde. Maintenant j´ai de nouvelles questions:
quelle est l´amplitude d´un photon d´une fréquence donnée?
Comment caractérisé l´amplitude d´une onde (formé de plusieurs photons)?

[invitea774bcd7]

quelle est l´amplitude d´un photon d´une fréquence donnée?
Comment caractérisé l´amplitude d´une onde (formé de plusieurs photons)?

Ça va être un long fil, je le sens…

[mariposa]

Un photon peut être considéré comme une onde selon où l´on se place, c´est une modélisation confirmé par la nature au niveau microscopique, donc ce n´est pas forcément faux.

Non c'est plus que faux. J'ai expliqué plusieurs fois sur Futura le rapport entre le photon qui est une excitation élémentaire du vide électromagnétique et l'onde électromagnétique classique qui peut se décrire quantiquement comme une valeur propre de l'opérateur d'annihilation.

Dans le sujet pour lequel j´ai donné le lien ds le premier message, il est dit que l´énergie dépendait du carré de l´amplitude de l´onde.

Cela est juste mais n'implique aucune considération quantique.

quelle est l´amplitude d´un photon dune fréquence donnée?
Comment caractérisé l´amplitude d´une onde (formé de plusieurs photons)?

Le photon n'a pas d'amplitude. le photon relève de la MQ et doit donc etre décrit avec les concepts MQ.

Si tu veux comprendre comment çà marche il faut apprendre la MQ. Et cela n'a rien d'évident. Par exemple la champ électrique associé à un état à n photons noté |n> vaut strictement zéro!!! Ce qui échappe totalement à toute compréhension intuitive.

[invitea774bcd7]

Par exemple la champ électrique associé à un état à n photons noté |n> vaut strictement zéro!!! Ce qui échappe totalement à toute compréhension intuitive.

Bah nan… Y a pas de charges électriques. Pourquoi voudrais-tu qu'il y ait un champ électrique ?
Je trouve ça très intuitif au contraire

[mariposa]

Bah nan… Y a pas de charges électriques. Pourquoi voudrais-tu qu'il y ait un champ électrique ?
Je trouve ça très intuitif au contraire

Le champ électromagnétique existe en dehors de toute source du champ électromagnétique (cad de charges et courants). C'est la grande découverte de Maxwell

Quand on quantifie les modes du champ électromagnétique seul on est confronté a un problème d'oscillateurs harmoniques indépendants attachés à chaque mode k dont les états propres de l'hamiltonien sont (pour un mode):

H.|n> = h.w|n> où n est le nombre de photons.

Le champ électrique E vaut:

<n|E|n> = 0

Donc un état à n photons est un état de champ électrique strictement nulle.

Ce n'était pas intuitif.

[Bartolomeo]

je pense pas que c´est en apprenant la mécanique quantique, que je vais comprendre quelque chose à mon probleme! Parce que si j´apprends la méca quantique j´en aurai plein d´autre des problêmes, tellement plus complexe que j´aurai oublié ma question ici. Donc un petit condensé ou une explication sans Bra et Ket sera le bienvenue. Bon au pire j´ai le cohen tanoudji à la porté de la main, c´est déjà une réference sur laquelle ont pourra se baser. Ca veut pas dire que je l´ai lu ou gardé ouvert bien longtemps.

[mariposa]

je pense pas que c´est en apprenant la mécanique quantique, que je vais comprendre quelque chose à mon probleme! Parce que si j´apprends la méca quantique j´en aurai plein d´autre des problêmes, tellement plus complexe que j´aurai oublié ma question ici. Donc un petit condensé ou une explication sans Bra et Ket sera le bienvenue. Bon au pire j´ai le cohen tanoudji à la porté de la main, c´est déjà une réference sur laquelle ont pourra se baser. Ca veut pas dire que je l´ai lu ou gardé ouvert bien longtemps.

Pour t'éviter justement de t'investir dans la MQ je t'ai donné une réponse juste et économique en #7. A partir du moment ou tu contestes "ma" réponse je me sens obligé de te faire savoir qu'une bonne compréhension de la question s'appuie uniquement sur la connaissance de la MQ.

Tu es un peu contradictoire, tu voudrais comprendre des choses complexes relevant de la MQ seulement avec des mots et de la physique classique. Hélas cela ne marche pas.

Si par ailleurs tu as le Cohen-T et bien ouvre le à la bonne page et tu auras la véritable réponse. Le mot clé est: état cohérent

[invite499b16d5]

je pense pas que c´est en apprenant la mécanique quantique, que je vais comprendre quelque chose à mon probleme! Parce que si j´apprends la méca quantique j´en aurai plein d´autre des problêmes, tellement plus complexe que j´aurai oublié ma question ici. Donc un petit condensé ou une explication sans Bra et Ket sera le bienvenue. Bon au pire j´ai le cohen tanoudji à la porté de la main, c´est déjà une réference sur laquelle ont pourra se baser. Ca veut pas dire que je l´ai lu ou gardé ouvert bien longtemps.

Bonsoir,
Cohen-Tannoudji ou pas, bra ou ket ou pas, je ne suis pas sûr que qui que ce soit sache exactement ce qu'est le vide... et comme le photon est une excitation du vide, il faut pour l'instant se contenter de ce que nous enseigne Maître Mariposa et quelques autres. Longue est la route vers la vérité!

[mariposa]

Bonsoir,
Cohen-Tannoudji ou pas, bra ou ket ou pas, je ne suis pas sûr que qui que ce soit sache exactement ce qu'est le vide... et comme le photon est une excitation du vide, il faut pour l'instant se contenter de ce que nous enseigne Maître Mariposa et quelques autres. Longue est la route vers la vérité!

Je t'ai pourtant expliqué simplement de quoi il s'agit.

ATOME

Un atome possède des énergies quantifiées dont un état de plus faible énergie que l'on note |0> ou |Fondamental> comme tu voudras? En suite il y a des niveaux d'énergie au-dessus que l'on peut noter |1>, |2> etc.....

CHAMP ELECTROMAGNETIQUE.

Comme l'atome il possède un état fondamental noté |0> que l'on peut appeler |vide>. Ensuite il possède des états d'énergie au-dessus noté |1>, |2> etc....

Donc à ce niveau la quantification de l'atome ou du champ électromagnétique, c'est la même chose.

La grosse différence est que les espacements entre niveaux pour l'atome sont irrégulièrement espacés alors que pour le champ électromagnétique ils sont régulièrement espacés. C'est pourquoi l'état excité numéroté |n> indique en unité h.w l'énergie de cet état et aussi le nombre de photons.

Ainsi le niveau [257> veut dire qu'il y a 257 photons et donc une énergie 257.h.w

Remarque le niveau fondamental |0> possède zéro photon mais son énergie est 1/2.h.w

Il faut remarquer de même que l'état fondamental d'un atome possède des propriétés, c'est la même chose pour l'état fondamental du champ électromagnétique cad l'état|0>. La propriété la plus spectaculaire est l'effet Casimir.

Tout cela peut se comprendre sans se pencher dans le Cohen-T.

[invite499b16d5]

Tout cela peut se comprendre sans se pencher dans le Cohen-T.

Il y a toutefois 2 choses que je persiste à ne pas comprendre, en dépit de ma (très large) ouverture d'esprit:
-pourquoi 257.h.w et pas (257+0.5).h.w (le 1er photon qui apparaît nullifie-t-il l'énergie du vide?)
-que ce soit décrit en termes d'états ne change rien au fait qu'en général on parle de l'état "de quelque chose". Ici, on ne parle plus que d'état, le quelque chose n'étant défini que par son état. Tu comprends que ça sente un peu l'incomplétude.

[mariposa]

Il y a toutefois 2 choses que je persiste à ne pas comprendre, en dépit de ma (très large) ouverture d'esprit:
-pourquoi 257.h.w et pas (257+0.5).h.w (le 1er photon qui apparaît nullifie-t-il l'énergie du vide?)

En fait la formule exacte c'est:


En = (n+1/2).hw

Ce qui veut dire que si le champ est dans l'état n=257 (photons)

l'énergie est 257,5 hw


Quand le champ électromagnétique est dans l'état fondamental n=0 (photons) son énergie vaut évidemment:

1/2.hw

1 excitation par rapport au vide vaut:

(1+1/2).hw

2 excitations par rapport au vide valent:

(2+1/2).hw

etc....


C'est pourquoi on dit que le photon (pensé comme grain d'énergie) est une excitation élémentaire du vide électromagnétique.

Si on prend un état à n photons noté |n> dont l'énergie est (n +1/2) h.w on peut démontrer que le champ électromagnétique (électrique et/ou magnétique) de cet état vaut strictement zéro.

Cela montre clairement que la "particule" photon entièrement définit ainsi n'a strictement rien à voir avec toute notion de particules classiques pensée en termes de boules ni même avec toute notion d'ondes classiques.

Ceci n'est pas la propriété du photon mais de toutes les "particules" élémentaires.

Remarque: Sur un plan pédagogique J-M Lévy-Leblond avait proposé d'appeler quanton les particules élémentaires pour bien prendre des distances avec le mot particule qui reste dans l'esprit de beaucoup une boule. Par ailleurs dans les Landau (une bible de la physique théorique) ce dernier parle de particule quantique et une particule quantique n'a rien à voir avec une particule classique.




il en est ainsi pour toutes la variété de quantons (électrons, quarks, etc...).

J'insiste lourdement pour dire et redire qu'une particule quantique n'a rien à voir avec les notions classiques de particules et d'onde.

De la même façon la fonction d'onde de Schrodinger n'a physiquement rien à voir avec la notion physique d'onde. Par contre sur le plan mathématique il y a de très fortes similitudes dont la principale est le phénomène de superposition (interférences).

La fonction d'onde de Schrodinger c'est les composantes d'un vecteur abstrait noté |Fi> d'un espace de Hilbert qui a mathématiquement le statut d'un vecteur aléatoire dont l'évolution est gouvernée par une loi déterministe (l'équation de Schrodinger).

La MQ est complètement contre intuitive et donc tout raisonnement construit à l'écart de son formalisme aboutit immédiatement à des impasses. La MQ repose mathématiquement sur l'algébre linéaire BAC +1 et ne doit en aucune façon être un obstacle. donc ont tord tous ceux qui dissertent à l'infini sur les phénomènes quantiques avec du vocabulaire issu des concepts de la physique classique.

[Bartolomeo]

Bon, je répondrais pas immediatement.
Mais en tout cas je voulais te dire merci pour ces expliquations, Mariposa! Et pour que le temps que tu as mis à les écrire ne soit pas perdu, j´ai besoin d´un peu de temps pour analyser tout ca.

[invite499b16d5]

La MQ est complètement contre intuitive et donc tout raisonnement construit à l'écart de son formalisme aboutit immédiatement à des impasses. La MQ repose mathématiquement sur l'algébre linéaire BAC +1 et ne doit en aucune façon être un obstacle. donc ont tord tous ceux qui dissertent à l'infini sur les phénomènes quantiques avec du vocabulaire issu des concepts de la physique classique.

Je suis rassuré de voir que ce 1/2 ne disparaît pas comme ça. Ca m'aurait choqué.
A force de répéter, tu finiras par me convaincre, bien qu'il a longtemps que je ne cherche plus à visualiser des "boules".
Mais je prends mes distances par rapport à ta conclusion, d'autant que je sais que dans "tous ceux" qui selon toi ont tort, il y a quelques sommités... Et je ne crois pas qu'on puisse entièrement se satisfaire d'une "réalité" représentée exclusivement par des vecteurs aléatoires dans un espace de Hilbert. A tout prendre et si'l n'y a pas le choix, je préférerais encore Dieu!

[mariposa]

Je suis rassuré de voir que ce 1/2 ne disparaît pas comme ça. Ca m'aurait choqué.
A force de répéter, tu finiras par me convaincre, bien qu'il a longtemps que je ne cherche plus à visualiser des "boules".

Si tu abandonnes l'idée de boule, je trouve çà excellent. Comme quoi la répétition a des vertus. [/QUOTE]

Mais je prends mes distances par rapport à ta conclusion, d'autant que je sais que dans "tous ceux" qui selon toi ont tort, il y a quelques sommités... Et je ne crois pas qu'on puisse entièrement se satisfaire d'une "réalité" représentée exclusivement par des vecteurs aléatoires dans un espace de Hilbert. A tout prendre et si'l n'y a pas le choix, je préférerais encore Dieu!

Je voudrais te rassurer sur un point, ce que j'écris ce n'est pas mon point de vue personnel mais des choses bien connues depuis 50 à 70 ans selon les détails.

Tu peux déployer une énergie considérable à l'infini pour trouver des "sommités", tu n'en trouveras aucun, je dis bien aucun. Plus prosaïquement tu trouveras toutes ces explications dans les cours de base de MQ sous l'appelation générique: oscillateur harmonique. En plus en tant que prof de MQ je ne me serais jamais permi d'enseigner une MQ personnelle!!!

Donc tu perds ton temps à contester ce que j'ai expliqué. Il y a de moments où il très est efficace de faire confiance.

[invitea774bcd7]

Et je ne crois pas qu'on puisse entièrement se satisfaire d'une "réalité" représentée exclusivement par des vecteurs aléatoires dans un espace de Hilbert. A tout prendre et si'l n'y a pas le choix, je préférerais encore Dieu!

La « réalité » n'est pas représenté par des vecteurs aléatoires dans un espace de Hilbert…
Tout n'est que champs, Dieu est un champ

La mécanique quantique est à la théorie quantique des champs ce que la mécanique newtonienne est à la relativité générale

[mariposa]

La mécanique quantique est à la théorie quantique des champs ce que la mécanique newtonienne est à la relativité générale

Bonjour, c'est curieux cette équivalence, mais sa reflète quelque chose d'éronner que je m'efforce à dénoncer.

La théorie quantique des champs (TQC) c'est la MQ dans le cas où le nombre de degrés de libertés est infini.

De là on peut déduire que la TQC c'est un sous-cas particulier de la MQ (autrement dit il n'y a aucun nouveau principe) ou encore que c'est une théorie à part (celui des degrés de liberté en nombre infini).


Par contre contrairement à ce qui est très souvent écrit, hélas, ce n'est pas la synthèse de la MQ et de la RR. Cette synthèse existe bel et bien sous la forme de la QED (couplage entre l'équation de Dirac et le champ de Maxwell) et fait appel techniquement parlant à la TQC mais en physique du solide (qui n'a rien de relativiste) on utilise la TQC car le nombre de particules élevé peut-être dans certaines circonstances assimilé à un nombre infini de variables.

[invite499b16d5]

Si tu abandonnes l'idée de boule, je trouve çà excellent. Comme quoi la répétition a des vertus.

Attention, j'ai abandonné l'idée de boules, mais afin de ne pas perdre la mienne, je cherche absolument à la remplacer par autre chose

[vaincent]

-que ce soit décrit en termes d'états ne change rien au fait qu'en général on parle de l'état "de quelque chose". Ici, on ne parle plus que d'état, le quelque chose n'étant défini que par son état. Tu comprends que ça sente un peu l'incomplétude.

bonjour,

il me semble que "quelque chose" ne peut-être définie que par son état. Les caractéristiques d'une particule quantiques suffisent à elles seules à décrire ce qu'elle est. Charge, spin, hélicité, énergie, impulsion, etc.... nous disent ce qu'est cette particule. Ce familiariser avec ses notions permettent petit à petit de cerner ce qu'est une particule quantique, en particulier le photon ici, mais cela ne s'explique pas avec un language tiré de la physique classique qui nous est si familière.
En résumé : "dit moi comment tu fonctionnes et je te dirais qui tu es" !

[invite499b16d5]

bonjour,

il me semble que "quelque chose" ne peut-être définie que par son état. Les caractéristiques d'une particule quantiques suffisent à elles seules à décrire ce qu'elle est. Charge, spin, hélicité, énergie, impulsion, etc.... nous disent ce qu'est cette particule. Ce familiariser avec ses notions permettent petit à petit de cerner ce qu'est une particule quantique, en particulier le photon ici, mais cela ne s'explique pas avec un language tiré de la physique classique qui nous est si familière.
En résumé : "dit moi comment tu fonctionnes et je te dirais qui tu es" !

Bonjour,

je ne suis pas vraiment convaincu, car un "fonctionnement" ne saurait être une donnée première: il a besoin en particulier, pour être formulé, de notions plus premières, telles que le temps, l'espace, l'énergie. Je ne peux me suffire d'une phrase comme "tel état se caractérise par telle énergie" si le concept d'énergie ne se caractérise lui-même que par un nombre, ce qui est à peine mieux qu'un mot.

[vaincent]

Bonjour,

je ne suis pas vraiment convaincu, car un "fonctionnement" ne saurait être une donnée première: il a besoin en particulier, pour être formulé, de notions plus premières, telles que le temps, l'espace, l'énergie. Je ne peux me suffire d'une phrase comme "tel état se caractérise par telle énergie" si le concept d'énergie ne se caractérise lui-même que par un nombre, ce qui est à peine mieux qu'un mot.

Bon, prenons le choses autrement. Pour vous, qu'est-ce qu'un électron ?

[invitea774bcd7]

Pour vous, qu'est-ce qu'un électron ?

Un truc marrant : totalement ponctuel mais ayant néanmoins des propriétés « polaires » (moment dipolaire magnétique et possible moment dipolaire électrique)

C'est pas trop fort ça ?!

[mariposa]

Un truc marrant : totalement ponctuel mais ayant néanmoins des propriétés « polaires » (moment dipolaire magnétique et possible moment dipolaire électrique)

C'est pas trop fort ça ?!

Un moment dipolaire électrique?

[invitea774bcd7]

Un moment dipolaire électrique?

Bah oui. C'est un “hot topic” en ce moment, la recherche de ce moment dipolaire électrique

J'avoue : j'ai un faible pour l'électron comme particule fondamentale. À priori si simple et pourtant pleine de subtilités