photon et masse?

[nono1789]

Salut tout le monde.

J'ai posé une question à mon pro de physique concernant les photons.
il m'a dit "qu'un photon n'avait pas de masse et que cela était une conséquence des lois qui découle de la théorie de la relativité. Il m'a dit que c'était un postulat sans lequel la théorie de la relativité ne marcherait pas. Or la théorie de la relativité décrit et prédit très bien les phénomènes liés à la lumière entre autre dans l'univers. Donc le postulat est vrai et accepté."

Il m'a démontré de façon empirique le fait qu'un photon n'a pas de masse.
Mais ça n'a pas répondu a ma question. Je lui demande alors comment les photons se déplacent t ils sans avoir d'inertie ?
Il me répond alors que " la lumière est un cas particulier car elle est à la fois considérée comme un corpusculaire et aussi comme une onde"

Tout mouvement n'est il pas lié à la masse interaction entre atome et la fameuse particule boson de Higgs d'ailleurs que l'on n'a toujours pas observée.
Cela signifierait que les photons n'ont aucune interaction avec cette particule et peuvent se déplacer sans elle?

Est ce que la lumière est le seul exemple ou corpuscule et onde son couplé ?
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[stefjm]

Est ce que la lumière est le seul exemple ou corpuscule et onde son couplé ?

Non, il y a plein d'autres exemples.
La matière a également un comportement ondulatoire.
On fait interférer des neutrons et même des molécules.
http://www.google.fr/#hl=fr&source=h...293a22138eb393

[nono1789]

Non, il y a plein d'autres exemples.
La matière a également un comportement ondulatoire.
On fait interférer des neutrons et même des molécules.
http://www.google.fr/#hl=fr&source=h...293a22138eb393

oui mes les explications de mon prof me paraisse peut convaincante (raisonnement par l'absurde)?????

[mariposa]

oui mes les explications de mon prof me paraisse peut convaincante (raisonnement par l'absurde)?????

Bonjour,

Qu'est-ce qui ne te parait peu convaincant?

Le rapport que tu as fais de ton prof dans ton message d'introduction est correcte et bien rédigé. Par contre laisse tomber le boson de Higgs car cela va t'embrouiller.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

J'ai posé une question à mon pro de physique concernant les photons.
il m'a dit "qu'un photon n'avait pas de masse et que cela était une conséquence des lois qui découle de la théorie de la relativité. Il m'a dit que c'était un postulat sans lequel la théorie de la relativité ne marcherait pas. Or la théorie de la relativité décrit et prédit très bien les phénomènes liés à la lumière entre autre dans l'univers. Donc le postulat est vrai et accepté."

Il n'a pas une vue très moderne de la RR

Il est vrai que la lumière a joué un rôle important dans la genèse de la RR, autant d'un point de vue expérimental que théorique. En particulier, le postulat selon laquelle sa vitesse est invariante. Au vingtième siècle (et avant) la question tournait plus autour de la nature de la lumière que sur les aspects du temps et de l'espace.

Que ces interrogations aient conduit à une remise en cause de l'espace et du temps et que la solution à la nature de la lumière ait trouvé sa réponse ailleurs, dans la théorie quantique des champs est une facétie de l'histoire scientifique

Mais depuis la formulation de la RR est devenue plus géométrique. Ce qui compte avant tout est l'existence de cette vitesse (limite) invariante, que la lumière se déplace à cette vitesse est juste très pratique.

Il m'a démontré de façon empirique le fait qu'un photon n'a pas de masse.

(le reste est bien abordé par Stef)

Effectivement, l'absence de masse du photon est empirique. C'est un constat.

On pourrait arguer que cette absence de masse et invariance de sa vitesse (les deux sont liés en relativité) découle de l'électromagnétisme. Mais ce serait oublier que les équations de Maxwell ont elles-mêmes été construites sur base de constats empiriques concernant le magnétisme et l'électricité !!!!

La lumière pourrait avoir une masse infime (non mesurable) sans problème. Les équations de l'électromagnétisme avec une lumière "massive" s'appellent équations de Proca si ma mémoire est bonne (il y a aussi le lagrangien de Stueckelberg, je ne sais pas si les deux sont analogues). A vérifier.

Le photon ne peut "exister" quà la vitesse 'c' car justement il n'a pas de masse. Un objet de masse 0 à vitesse inférieure à c a une énergie 0. Il se met donc en branle immédiatement à la vitesse 'c' dès qu'on le crée avec une certaine quantité d'énergie.

A noter que s'il avait une masse infime, non détectable, cela a été longtemps le cas du neutrino (qui de sucroit est très difficile à détecter), sa vitesse serait proche de 'c' mais différente, de très peu. La raison en est que la moindre quantité d'énergie se traduirait par une vitesse énorme. Mettre une fusée au cul d'une plume l'accélère plus que de le mettre la fusée sous une montagne. A ma connaissance personne n'a jamais vu un neutrino quasiment à l'arrêt (on ne sait détecter que des neutrinos suffisament énergétique, idem pour la lumière d'ailleurs, un photon avec une longueur d'onde d'une année lumière n'est pas détectable pour le moment car il ne ferait pas réagir suffisament les dispositifs de mesure).

J'espère que ça complète les réponses attendues.

[Arapède]

Bonjour,

Mais depuis la formulation de la RR est devenue plus géométrique. Ce qui compte avant tout est l'existence de cette vitesse (limite) invariante, que la lumière se déplace à cette vitesse est juste très pratique.

En effet, c'est un postulat. On peut aussi supposer que cette vitesse limite, par exemple c_E, soit un peu supérieure à c et :
c = c_E (1 - epsilon), avec epsilon < 10^-9

[Deedee81]

En effet, c'est un postulat. On peut aussi supposer que cette vitesse limite, par exemple c_E, soit un peu supérieure à c et :
c = c_E (1 - epsilon), avec epsilon < 10^-9

Tout à fait.

On peut même construire la RR (du moins la partie cinématique) à partir de postulats particulièrement élémentaires ou logiques : postulat de groupe, postulat de continuité, postulat d'application, postulats d'espace (au moins localement) euclidien

(bien que ce ne soit pas la manière habituelle, dans beaucoup de textes modernes que j'ai pu voir on postule directement Minkowski).

On arrive alors à des transformations très générales avec un paramètre "g". Si g = 0 on retrouve Galilée. Si g < 0 on a des transformations bizarres (non causales). Si g > 0 on retrouve Lorentz.

Tom Roberts en avait donné une bonne démonstration sur usenet (s.p.r).

Je me suis alors posé la question (réponse intuitivement évidente) : supposons que je mesure la vitesse d'un signal comme étant c dans un repère et c' dans un autre repère (vitesse V). Avec c' = c + epsilon (erreur de mesure). Peux-ton prouver que la seule solution valide est g > 0 et égal (à epsilon près) à c ? La réponse est oui (un peut chié à démontrer rigoureusement, mais c'est faisable).

La cinématique relativiste est une théorie extrêmement robuste.

[nono1789]

les photon n'ayant pas de masse ne devraient il pas être insensibles à la gravitation ? Einstein a bien décrit le phénoméne d'étoiles doubles du à a courbure de la lumière. Au voisinage d'un trou noir c'est encore plus expicite puisque même les photons y sont piégés.

[doul11]

les photon n'ayant pas de masse ne devraient il pas être insensibles à la gravitation ?

le photon ce déplace toujours en ligne droite, mais il se déplace dans un espace qui lui est courbé par la gravité.

[wewillcomply]

Salut tout le monde.

Est ce que la lumière est le seul exemple ou corpuscule et onde son couplé ?

Tous objets dans l'univers microscopique possèdent des propriétés d'onde et de corpuscule ==> Dualité onde-corpuscule
C'est en relation avec ma signature!

[Amanuensis]

En effet, c'est un postulat. On peut aussi supposer que cette vitesse limite, par exemple c_E, soit un peu supérieure à c et :
c = c_E (1 - epsilon), avec epsilon < 10^-9

Les conventions modernes note c la vitesse limite, pas la vitesse des photons. Définir c comme "vitesse de la lumière dans le vide" est conceptuellement erroné, même si très courant (1)! La définition moderne est simplement le paramètre de dimension vitesse apparaissant dans la définition de l'espace-temps de Minkowski (c'est-à-dire la vitesse limite).

(1) Et sans conséquence gênante si on accepte en même temps l'hypothèse, non réfutée par les observations, que la vitesse de la lumière dans le vide soit égale à c.

Avec cette convention on écrirait :

On peut aussi supposer que la vitesse de la lumière dans le vide, par exemple c_L, soit un peu inférieure à c et :
c = c_L (1 + epsilon), avec epsilon < 10^-9

C'est en fait exactement la même chose que dire que le photon n'a pas une masse nulle, et donc cela correspond aux théories indiquées par Deedee dans son premier message.

PS : Je ne sais pas si 10-9 est une valeur correcte. Les observations donnent une borne supérieure à la masse du photon de 10-18 eV, faudrait voir quelle borne inf cela donne à la vitesse, selon la longueur d'onde...

[aurelienbis]

le photon ce déplace toujours en ligne droite, mais il se déplace dans un espace qui lui est courbé par la gravité.

L'espace qui est courbé? Tu peux m'en dire plus?
Une piste sur le fait que même les photons soient attirés par les trous noirs?

[coussin]

L'espace qui est courbé? Tu peux m'en dire plus?

C'est le principe de la relativité générale : les masses déforment l'espace-temps autour d'elles

[Amanuensis]

le photon ce déplace toujours en ligne droite, mais il se déplace dans un espace qui lui est courbé par la gravité.

Ré-écriture plus précise : La trajectoire 4D d'un photon est une droite de l'espace-temps, et dans le modèle de la RG l'espace-temps est courbé par la présence d'énergie et de quantité de mouvement.

(L'espace-temps peut être courbé sans que l'espace le soit. Et du coup, une trajectoire 4D droite dans l'espace-temps peut correspondre à une trajectoire 3D dans l'espace non droite, même si l'espace est plat.)

[aurelienbis]

C'est le principe de la relativité générale : les masses déforment l'espace-temps autour d'elles

Ha ouais quand même!
La ça devient un peu trop compliqué pour moi

[doul11]

Ré-écriture plus précise : La trajectoire 4D d'un photon est une droite de l'espace-temps, et dans le modèle de la RG l'espace-temps est courbé par la présence d'énergie et de quantité de mouvement.

j'en profite pour poser une question sur quelque chose qui est un peut trouble pour moi : dans ce que j'ai mis en gras ou intervient la masse ?

en lisant des articles de wikipedia tout est un peut mélangé : énergie, masse, quantité de mouvement et impulsion. comment on retrouve tout ça dans tenseur énergie-impulsion ?

[Amanuensis]

j'en profite pour poser une question sur quelque chose qui est un peut trouble pour moi : dans ce que j'ai mis en gras ou intervient la masse ?

La combinaison énergie et quantité de mouvement d'un point matériel est un quadri-vecteur (un objet se décrivant par quatre composantes). La masse en est le module. C'est la composante "énergie" fois c² si le système de coordonnées correspond à un référentiel où la quantité de mouvement est nulle.

comment on retrouve tout ça dans tenseur énergie-impulsion ?

Ce tenseur est un objet à 16 composantes (4x4), non indépendantes les unes des autres.

Dans certains cas particuliers (poussière), le terme T00 (1) peut être vu comme la densité volumique de masse. Dans le cas général, c'est plus compliqué.

(1) Dans un système de coordonnées orthonormé, avec 0 l'indice de la coordonnée de genre temps.

[doul11]

ok merci bien Amanuensis, j'y vois un peut plus clair.

[nono1789]

en gros les photos se déplace (roule) à la vitesse c sur un tapis (espace-temps, x,y,z,t) déformé par les masses (matière et énergie) présentes (planètes; étoiles; trou noir).
La relativité prédit-elle ce qu'il y a à la source d'un trou noir ?
J'avais lu un article sur la théorie des cordes qui soutient l'existence de plus que 4 dimensions et l'existence de tunnel qui lie 2 espaces temps Les trous noirs seraient ces tunnels (déchirure de l'espace temps). on aurait en gros comme des espaces temps les uns sur les autres en forme de milles feuilles. Pensez vous que la théorie des cordes remplacera la relativité?

[Deedee81]

Salut,

La relativité prédit-elle ce qu'il y a à la source d'un trou noir ?

De la masse/énergie. Elle provient du corps qui s'est effondré.

Pensez vous que la théorie des cordes remplacera la relativité?

Non. Tout comme la relativité n'a pas fait disparaitre les théories de Newton, on les utilise toujours.

[Arapède]

Bonjour Amanuensis,

On peut aussi supposer que la vitesse de la lumière dans le vide, par exemple c_L, soit un peu inférieure à c et :
c = c_L (1 + epsilon), avec epsilon < 10^-9

C'est en fait exactement la même chose que dire que le photon n'a pas une masse nulle, et donc cela correspond aux théories indiquées par Deedee dans son premier message.

PS : Je ne sais pas si 10-9 est une valeur correcte. Les observations donnent une borne supérieure à la masse du photon de 10-18 eV, faudrait voir quelle borne inf cela donne à la vitesse, selon la longueur d'onde...

Tout à fait, mais je pense qu'il est préférable de faire les hypothèses (... peut-être non valides) sur la limite postulée de c_E. La vitesse de la lumière c, est fixée par décret, il faut donc l'accepter comme telle.
Avec epsilon = 10^-9, on rajoute seulement 0,3 m/s à c, et la masse propre hypothétique du photon est de l'ordre de 1,9.10^-19 eV, donc très proche de 1,6.10^-19 eV (...?).

[nono1789]

Bonjour Amanuensis,


Tout à fait, mais je pense qu'il est préférable de faire les hypothèses (... peut-être non valides) sur la limite postulée de c_E. La vitesse de la lumière c, est fixée par décret, il faut donc l'accepter comme telle.
Avec epsilon = 10^-9, on rajoute seulement 0,3 m/s à c, et la masse propre hypothétique du photon est de l'ordre de 1,9.10^-19 eV, donc très proche de 1,6.10^-19 eV (...?).

Peut on considérer que seule les ondes qui ne transporte pas de matière et ne véhicule que de l'énergie peuvent atteindre des vitesses supérieure à celle de la lumière.
Donc dès qu'il y a de la matière v<c ?
Les ondes sont elles de l'énergie à l'état pure ?

[Deedee81]

Salut,

Peut on considérer que seule les ondes qui ne transporte pas de matière et ne véhicule que de l'énergie peuvent atteindre des vitesses supérieure à celle de la lumière.
Donc dès qu'il y a de la matière v<c ?
Les ondes sont elles de l'énergie à l'état pure ?

Non :

- l'énergie ne peut se transmettre à une vitesse > c. Ni énergie, ni matière, ni information. C'est une conséquence de la relativité.
- de "l'énergie pure" cela n'existe pas. C'est toujours l'énergie de quelque chose. Exemple : l'énergie cinétique = (en physique classique) 1/2 mv². Cette énergie est une propriété reliée à l'objet en mouvement et à sa vitesse. Il est clair qu'il est impossible d'isoler cette énergie de l'objet ! Pas plus que tu ne pourrais retirer la vitesse d'un objet pour la mettre en bouteille (qui veut m'acheter mes bouteilles de vitesse ? ) Dans le cas d'une onde vibratoire comme le son, cette énergie est juste l'énergie de vibration des molécules d'air. Dans le cas de la lumière, c'est l'énergie du champ électromagnétique = énergie des photons.
- Dans une onde, tu as deux vitesses caractéristiques : la vitesse de groupe Vg et la vitesse de phase Vp. La vitesse de phase est typiquement la vitesse de l'onde au sens habituel (vitesse de déplacement des ondulations), la vitesse de groupe est la vitesse de déplacement d'un paquet d'ondes. Dans la plupart des matériaux, la vitesse de groupe est inférieure à la vitesse de phase. Il existe des cas particuliers ou dans une bande de fréquence donnée la vitesse de groupe est supérieure à la vitesse de phase. Pour une onde électromagnétique on a Vg*Vf <= c². Et on montre facilement que l'information et l'énergie ne peuvent aller plus vite que min(Vg,Vf). Il est donc clair qu'ils ne peuvent aller plus vite que c.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Vitesse_d'une_onde

[Amanuensis]

Bonjour Amanuensis,
Tout à fait(...)

"Tout à fait", mais la suite contredit ce que j'écrivais...

[Arapède]

Bonsoir Amanuensis,

"Tout à fait", mais la suite contredit ce que j'écrivais...

Le tout à fait concernait plutôt la masse propre du photon, et j'ai peut-être mal interprété la formule avec (1 + epsilon).
Pour moi, c est la vitesse de la lumière dans le vide et c_E est la vitesse limite de la relativité, aucune masse propre ne peut atteindre cette vitesse, par conséquent c < c_E.
c_E = c / (1-epsilon) = c (1+epsilon), (à peu près). La valeur de epsilon doit être très petite, à cause de Maxwell et aussi parce que l'introduction d'une masse propre n'est pas anodine. Mais, si l'on conserve tous les chiffres significatifs de c, on peut quand même essayer de voir ce que cela donne.

[stefjm]

Tout à fait, mais je pense qu'il est préférable de faire les hypothèses (... peut-être non valides) sur la limite postulée de c_E. La vitesse de la lumière c, est fixée par décret, il faut donc l'accepter comme telle.
Avec epsilon = 10^-9, on rajoute seulement 0,3 m/s à c, et la masse propre hypothétique du photon est de l'ordre de 1,9.10^-19 eV, donc très proche de 1,6.10^-19 eV (...?).

Bonsoir,
Je n'ai pas compris cette dernière partie.
Pourrais-tu détailler?

[aurelienbis]

Bonsoir,
Je n'ai pas compris cette dernière partie.
Pourrais-tu détailler?

En fait ce qu'il veut dire c'est que le photon ne se déplacerait pas à la vitesse limite mais un poil de cul moins vite, et qu'il est donc possible de lui attribuer une masse. (si j'ai bien compris)

[stefjm]

En fait ce qu'il veut dire c'est que le photon ne se déplacerait pas à la vitesse limite mais un poil de cul moins vite, et qu'il est donc possible de lui attribuer une masse. (si j'ai bien compris)

Salut,
Ca, j'ai compris.
Ce qui m'échappe, c'est la relation masse-charge.
Mais j'ai un mal de tête qui m'empêche de réfléchir...

[doul11]

bonsoir,

Tout à fait, mais je pense qu'il est préférable de faire les hypothèses (... peut-être non valides) sur la limite postulée de c_E. La vitesse de la lumière c, est fixée par décret, il faut donc l'accepter comme telle.
Avec epsilon = 10^-9, on rajoute seulement 0,3 m/s à c, et la masse propre hypothétique du photon est de l'ordre de 1,9.10^-19 eV, donc très proche de 1,6.10^-19 eV (...?).

vous voulez donner un masse au photon ? ça ne remet pas en cause la relativité restreinte ?

il n'y aurais pas confusion entre la limite supérieure de la masse du photon et la masse du photon ?

comment on peut mesurer expérimentalement la masse d'une particule qui est théoriquement nulle ?

comment on peut mesurer la masse au repos d'une particule qui n'est jamais au repos ?

(oui je sais, ça fait beaucoup de questions )

[stefjm]

vous voulez donner un masse au photon ? ça ne remet pas en cause la relativité restreinte ?

Non. Simplement, avec une masse, le photon n'ira plus à la vitesse limite.

comment on peut mesurer expérimentalement la masse d'une particule qui est théoriquement nulle ?

La différence entre la théorie et la pratique?

comment on peut mesurer la masse au repos d'une particule qui n'est jamais au repos ?

S'il a une masse, il peut être au repos.