Photons uniques à travers UNE seule fente

[pcpc]

bonjour, j'aurais une question concernant la figure obtenue sur un écran si on envoie des photons un par un sur une fente ; aurait-on quelque chose de différent (que la fig de diffraction) si on mettait derrière la fente un "observateur" ?
Je me pose cette question car si on a deux fentes, le fait de savoir par quelle fente passe le photon « perturbe » le photon. Mais avec une seule fente, le photon ne peut passer que par cette fente donc est-ce que le fait de mesurer modifie l'expérience ?
merci
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[coussin]

C'est toujours pareil : qu'appelez-vous "observateur" ? À ce niveau, c'est extrêmement difficile "d'observer" le photon sans le perturber (le mieux que l'on sache faire en ce sens est une mesure faible mais c'est coton).

[Deedee81]

Salut,

Si on envoie un faisceau lumineux sur une fente très fine, il y a diffraction. La courbe d'intensité lumineuse sur l'écran forme grosso modo une courbe en cloche. (on peut avoir des franges à cause de la diffraction).

Si on envoie un seul photon il atteindra l'écran avec une probabilité de position donnée par la même courbe.

Maintenant si on met un "détecteur de particule" (photon ou autre) près de la fente, coussin a raison, ça va perturber la figure qui risque fort d'être déformée. Mais si la perturbation est modérée, ça donnera à peu près le même résultat.

[gwgidaz]

bonjour, j'aurais une question concernant la figure obtenue sur un écran si on envoie des photons un par un sur une fente ; aurait-on quelque chose de différent (que la fig de diffraction) si on mettait derrière la fente un "observateur" ?
Je me pose cette question car si on a deux fentes, le fait de savoir par quelle fente passe le photon « perturbe » le photon. Mais avec une seule fente, le photon ne peut passer que par cette fente donc est-ce que le fait de mesurer modifie l'expérience ?
merci

Bonjour,
Dans le cas de deux fentes, le photon ne passe pas par une seule fente. Sinon, le fait de passer par l'une des fentes et de faire quand même la figure d'interférence montrerait que le photon, tout en passant par une fente, "savait" que l'autre fente était présente.
Il est bien évident que le photon, quand il travers les fentes, n'est pas une particule, mais une onde électromagnétique normale.

Et ce raisonnement est valable quelles que soient les dimensions de l'expérience. Par exemple source sur la lune, et fentes distantes de 1 Km....Le photon qui passe par une fente devrait savoir que l'autre fente,même loin, est ouverte . Le photon "sait"il vraiment ce qui se passe partout dans l'univers? Je préfère dire que nous avons affaire à une onde électromagnétique, qui produit des interférences, et que , pour impressionner un écran, elle a besoin de se regrouper. C'est ce regroupement instantané qui peut intriguer certains , mais bien moins que dans le cas précédent.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Je préfère dire que nous avons affaire à une onde électromagnétique, qui produit des interférences, et que , pour impressionner un écran, elle a besoin de se regrouper. C'est ce regroupement instantané qui peut intriguer certains , mais bien moins que dans le cas précédent.

Bon raisonnement (amha). Et on peut même éviter le regroupement (la réduction comme on dit) avec une interprétation sans réduction (mais les bizarreries se déplacent encore, sinon ce ne serait plus de la mécanique quantique mais de la mécanique classique !!!!) : états relatifs, mondes multiples, relationnel.

[gwgidaz]

Bonjour,
C'est quoi, l'interprétation sans réduction?

[Deedee81]

Est-ce que tu connais la réduction de la fonction d'onde ? (en gros c'est ce que tu appelles le regroupement).

L'interprétation des mondes multiples de Everett et DeWitt suppose qu'à chaque mesure il se crée autant de mondes parallèles qu'il y a de résultats possibles.

Dans les états relatifs on fait de même mais sans les mondes parallèles. On garde juste l'état quantique complet. Avec la "bizarrerie" que l'observateur humain se retrouve lui-même dans un état de superposition quantique qu'il n'est pas en mesure de constater !!!! (et une telle situation serait en principe réversible et détectable, mais à cause de la décohérence quantique c'est impossible. On sait faire des expériences de Young, par exemple, avec de grosses molécules, mais pas plus. La cohérence quantique s'efface par interaction avec l'environnement, comme si en quelque sorte on observait en permanence par quelle fente passe l'objet. Par exemple, si on envoie des balles de fusils sur les fentes, la simple présence des molécules d'air ou la lumière ambiante "mesure" la position des balles... avec en plus le fait que la fréquence est colossale. Impossible d'observer des "interférences de balles de fusil).

Bon, j'ai fait un peu condensé, j'espère que ce sera clair. Je dois y aller;

Bon week end.

[pcpc]

merci bcp !

[LordChoco]

Si on envoie un faisceau lumineux sur une fente très fine, il y a diffraction. La courbe d'intensité lumineuse sur l'écran forme grosso modo une courbe en cloche. (on peut avoir des franges à cause de la diffraction).

Je ne suis pas d'accord avec cela. La figure de diffraction d'un champ électromagnétique à travers une fente est un sinus cardinal, soit un sinus cardinal au carré pour l'intensité lumineuse. Mais en aucun cas il y a des franges d'interférences. Celles ci apparaissent, à l'intérieur de l'enveloppe précédemment décrite, lorsqu'il y a présence de plusieurs fentes.
En optique ondulatoire le phénomène d'interférence est facilement compréhensible. En optique quantique le photon corpusculaire a une fonction d'onde (dont son carré est sa probabilité de présence) qui se propage dans tout l'espace, le "rayon lumineux" existe seulement à l'endroit où les interférences sont constructives.
Ainsi voici un résultat surprenant : un rayon lumineux se réfléchie sur un miroir (au point A) avec un angle de réflexion égal à l'angle d'incidence. Mais ceci n'est que la résultante finale, la fonction d'onde du photon à "besoin" de se réfléchir sur toute la surface du miroir pour donner ce résultat. D'ailleurs si le miroir est réduit autour du point A, la lumière ne va plus du tout se réfléchir mais diffracter.
Richard Feynman explique très bien ces phénomènes dans ces ouvrages de vulgarisation sur la lumière (et surement dans ces cours mais je ne les ai pas encore attaqués ^^), il a vraiment un don pour éclaircir les idées, je le conseille à tous

[coussin]

Vous vous contredisez. Vous dites que c'est un sinus cardinal (je suis d'accord) mais qu'il n'y a pas de franges. À ce que je sache, le sinus cardinal possède des zéros. Ça fait donc des franges.
Comme vous le dites, la présence d'une deuxième fente crée d'autres franges à l'intérieur du sinus cardinal. La figure d'interférence qu'on voit partout dans l'expérience des fentes d'Young sont les franges qui sont dans le lobe principal du sinus cardinal. Si on avait assez de résolution, on verrait toute la structure.

[gwgidaz]

Je ne suis pas d'accord avec cela. La figure de diffraction d'un champ électromagnétique à travers une fente est un sinus cardinal, soit un sinus cardinal au carré pour l'intensité lumineuse. Mais en aucun cas il y a des franges d'interférences. Celles ci apparaissent, à l'intérieur de l'enveloppe précédemment décrite, lorsqu'il y a présence de plusieurs fentes.
En optique ondulatoire le phénomène d'interférence est facilement compréhensible. En optique quantique le photon corpusculaire a une fonction d'onde (dont son carré est sa probabilité de présence) qui se propage dans tout l'espace, le "rayon lumineux" existe seulement à l'endroit où les interférences sont constructives.
Ainsi voici un résultat surprenant : un rayon lumineux se réfléchie sur un miroir (au point A) avec un angle de réflexion égal à l'angle d'incidence. Mais ceci n'est que la résultante finale, la fonction d'onde du photon à "besoin" de se réfléchir sur toute la surface du miroir pour donner ce résultat. D'ailleurs si le miroir est réduit autour du point A, la lumière ne va plus du tout se réfléchir mais diffracter.
Richard Feynman explique très bien ces phénomènes dans ces ouvrages de vulgarisation sur la lumière (et surement dans ces cours mais je ne les ai pas encore attaqués ^^), il a vraiment un don pour éclaircir les idées, je le conseille à tous

Insinuez -vous qu'il y a une différence entre l'otique ondulatoire et l'optique quantique ? Tout ce que vous dites sur la réflexion sur un miroir peut très bien se calculer de la même façon en otique ondulatoire. Si le miroir est réduit autour du point de réflexion, eh bien il y a diffraction par la "fenêtre" constituée par ce qui reste du miroir, et le calcul , en intégrant toutes les ondes sur le miroir, permet de trouver exactement le phénomène de diffraction. En optique, Feynman n'ajoute rien à ce qu'on savait , à savoir qu'une onde est le résultat de tout ce qui se passe dans l'espace autour de la direction de propagation ( principe de Huyguens, etc...) Son apport est ailleurs.

[coussin]

Ça me semble être, comme souvent, une confusion entre photons réels et virtuels.
L'exemple de Feynman avec les "rayons pas speculaires", ce sont des photons virtuels. Rien à voir avec des vrais rayons lumineux.
Si vous prenez un laser, vous n'avez pas besoin d'un miroir énorme pour voir la réflexion spéculaire. Un miroir de quelques microns (la taille transverse du faisceau laser quoi...) suffit.

[LordChoco]

Vous vous contredisez. Vous dites que c'est un sinus cardinal (je suis d'accord) mais qu'il n'y a pas de franges. À ce que je sache, le sinus cardinal possède des zéros. Ça fait donc des franges.

Certes le sinus cardinal carré passe bien par zéro, mais en optique lorsqu'on parle de franges c'est directement sous entendu de franges d'interférences. Ces dernières varient sous forme d'un cosinus où les minimums sont I(min)=0*I(0) et les maximums sont i(max)=4*I(0).
Mais on parle bien de la même chose mais je n'ai jamais entendu parlé de frange pour un sinus cardinal carré, je pensais donc à une confusion, autant pour moi.

Insinuez -vous qu'il y a une différence entre l'otique ondulatoire et l'optique quantique ?

Ah cela est une bonne question. On retrouve tous les résultats de l'optique ondulatoire en optique quantique, mais est ce que l'inverse est vrai ? Je n'en suis pas sur (expérience d'un photon unique sur une lame séparatrice par exemple).

Tout ce que vous dites sur la réflexion sur un miroir peut très bien se calculer de la même façon en otique ondulatoire

Je suis tout à fait d'accord, je citais juste un exemple où à priori l'optique géométrique fonctionne très bien mais pour des raisons que je trouve très intéressante. C'était en rapport avec la vision naïve "le photon sait ce qu'il y a autour de lui".

En optique, Feynman n'ajoute rien à ce qu'on savait

Peut être, mais en tout cas il l'explique bien.

Son apport est ailleurs

C'est sur qu'il n'a pas été qu'un vulgarisateur, mais transmettre simplement son savoir c'est déjà ça.

Ça me semble être, comme souvent, une confusion entre photons réels et virtuels.

Pour l'exemple du miroir je ne pense pas qu'il s'agisse de photons virtuels mais d'une propagation de la fonction d'onde du photon dans tout l'espace et de la propagation de l'énergie seulement lors des interférences constructives. Vous voulez dire que les interférences non constructives sont des photons virtuels ?

Si vous prenez un laser, vous n'avez pas besoin d'un miroir énorme pour voir la réflexion spéculaire. Un miroir de quelques microns (la taille transverse du faisceau laser quoi...) suffit.

La taille du faisceau diverge, il est donc macroscopique, un miroir de la taille du spot lumineux suffira. Par contre si votre laser est dans l'infrarouge (longueur d'onde télécom) ou mêmes dans le rouge, un miroir de deux trois microns va le faire diffracter.

[coussin]

Trop de choses à répondre là...

[LordChoco]

Ah zut.... je dis des bêtises ?

[coussin]

Pas vraiment, quelques imprécisions c'est tout.
Pour le point précis que j'ai soulève, oui les "petites flèches qui tournent" de Feynman sont des photons virtuels. Et définir une "fonction d'onde du photon" n'est pas possible.

[LordChoco]

Ah ouf tu me rassures.
Je prend note pour les "petites flèches qui tournent"
Euh... d'accord. Cela vient-il de sa masse nulle ? Donc la vision que j'ai (celle d'un électron en fait...) est radicalement fausse et le photon agit complètement différemment, ou alors elle est... "voisine" ?

[LordChoco]

Autre tentative plus... pertinente : serait-ce dû au caractère bosonique du photon ? (c'est d'ailleurs pour cette raison que le photon peut interférer avec lui même, non ?)

[Deedee81]

Salut,

J'ai déjà observé en laboratoire des franges de diffraction obtenues avec une seule fente (plutôt un trou ). Et on appellait bien ça des franges d'interférences. Je ne comprend pas trop la problématique là.

P.S. désolé aussi pour "trop de choses", le fil a quelque peu progressé pendant le week end. Je manque parfois de temps pour m'investir plus sur le fond

[gwgidaz]

Bonjour,
D'autant plus qu'il n'y a pas de différence de nature entre les phénomènes de diffraction et d'interférences. Seule la forme de la fenêtre change , double pour les interférences..

[Deedee81]

Bonjour,
D'autant plus qu'il n'y a pas de différence de nature entre les phénomènes de diffraction et d'interférences. Seule la forme de la fenêtre change , double pour les interférences..

Même dans le cas de l'analyse de la structure des cristaux par rayons X on appellait ça interférence.
(les rayons sont réfractés et lorsque la relation de Bragg est respectée on a des interférences constructives. Ca donne une image sous forme d'un "nuage" de points qui est l'image du réseau crsitallin réciproque).

[van_fanel]

Ah ouf tu me rassures.
Je prend note pour les "petites flèches qui tournent"
Euh... d'accord. Cela vient-il de sa masse nulle ? Donc la vision que j'ai (celle d'un électron en fait...) est radicalement fausse et le photon agit complètement différemment, ou alors elle est... "voisine" ?

pour la fonction d'onde du photon.

En physique quantique, lorsque l'on a affaire à une particule non relativiste on utilise Schrödinger et on trouve les fonctions d'onde du système.

Pour un problème relativiste, on souhaite avoir une invariance de lorentz (ce qui n'est pas le cas avec l'equation de Schrödinger) et en plus le nombre de particule n'est pas conservé=> on abandonne le formalisme de la fonction d'onde et on raisonne en terme de champs, les particules devenant des excitations (comme les excitations d'un oscillateur harmonique) des champs. Ainsi le photon est le quanta d'excitation du champ E-M et on ne définit pas de fonction d 'onde d'un photon (sinon comment rendre compte de la disparition ou de l'apparition d'un photon?)

P.S: ce problème se pose pour toutes les particules, pas uniquement les photons: par exemple le muon qui est une particule instable et se désintègre très rapidement. Avec le formalisme de la fonction d'onde on ne peut pas rendre compte de la nature instable du muon

[LordChoco]

@Deedee81
D'accord, alors les franges ne sont pas que celles d'interférences, c'est noté.
Et pas de soucis, je pense bien que ça ne doit pas être évident de répondre à tout le monde

@van_fanel
Merci pour l'explication, je n'ai encore jamais étudié la MQ relativiste, une chose que je devrais remédier prochainement...
Tu connais un bouquin pédagogique sur le domaine (en français de préférence ) ?

[Deedee81]

Salut,

En attendant d'autres idées de références, j'ai bien aimé le Cohen Tanoudji : Photons et atomes – Introduction à l'électrodynamique quantique

Il est en français et d'un abord très facile. Et bien qu'il utilise la jauge de Coulomb, il consacre un chapitre à la jauge de Lorentz et la quantification covariante.
Ca peut servir de tremplin.

Pa contre il n'aborde pas la théorie de Dirac.

Ce livre est cité ici par exemple :
http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89l...ique_quantique

[azizovsky]

Bonjour, l'équation de Dirac est dans tome 2 de A.Messiah et aussi dans 2 de C.Aslangul et L.Landau,E.Lifchitz tome 4 et d'autres...

[Deedee81]

Parso, Landau et Lifshitz je ne conseille jamais car je trouve leurs livres extrêmement arides. Mais c'est peut-être une question de goût ?

On trouve aussi l'équation de Dirac dans Quantum Field Theory de Itzykson et Zubet où c'est vu plutôt en profondeur. Mais ce livre n'est déjà plus du tout une introduction. C'est assez costaud.

[LordChoco]

Merci de vos réponses
C'est vrai que les bouquin de Cohen Tanoudji sont super, mais je me suis arrêté qu'aux deux premiers. Mais comme je dois bien me décider à en choisir un, y a t'il un avantage à choisir celui de Claude Aslangul ? Le Messiah est très "mathématique" à ce qu'on m'a dit, il me fait un peu peur

[van_fanel]

@Deedee81
D'accord, alors les franges ne sont pas que celles d'interférences, c'est noté.
Et pas de soucis, je pense bien que ça ne doit pas être évident de répondre à tout le monde

@van_fanel
Merci pour l'explication, je n'ai encore jamais étudié la MQ relativiste, une chose que je devrais remédier prochainement...
Tu connais un bouquin pédagogique sur le domaine (en français de préférence ) ?

humm personnellement, j'aurais tendance à déconseiller de commencer la MQ relativiste en s'interessant à l'équation de Dirac. Deja parce que malheureusement le point de vue historique n'est pas le bon (on pensait décrire des particules avec) et du coup on est obligé de faire des petites pirouettes (mer de dirac) pour aboutir à un ensemble un peu cohérent.

Donc je conseillerai de commencer par un bouquin de théorie classique des champs (qui permet notamment de voir klein gordon et dirac dans le bon contexte) puis de passer à la quantification des champs. Il y a quelques bouquins en anglais ou francais mais pour une introduction assez complète mais très abordable (si tu as vu la relativité restreinte, les notations d'einstein et de la physique quantique non relativiste) je préfère:

http://jnfuchs.monsite-orange.fr/sqf...notes_sqft.pdf

il s'agit d'un cours d'introduction à la théorie quantique des champs (en s'attardant beaucoup sur la théorie classique des champs). C'est un cours très pédagogique et même s'il est en anglais tu verras très vite que ce n'est pas un obstacle.

En complément il y a le quantum field theory de Ryder qui est une très bonne introduction: http://www.amazon.fr/Quantum-Field-T.../dp/0521478146

sinon il y a le théorie quantique des champs de derendinger (en francais pour le coup^^):http://www.amazon.fr/Th%C3%A9orie-qu.../dp/2880744911

[van_fanel]

Parso, Landau et Lifshitz je ne conseille jamais car je trouve leurs livres extrêmement arides. Mais c'est peut-être une question de goût ?

On trouve aussi l'équation de Dirac dans Quantum Field Theory de Itzykson et Zubet où c'est vu plutôt en profondeur. Mais ce livre n'est déjà plus du tout une introduction. C'est assez costaud.

effectivement Zuber c'est costaud pour une introduction.
Et encore pire pour les landau. Je suis entièrement d'accord là dessus. Ils sont de très bons ouvrages quand on est déjà familier du domaine et qu'on a une certaine aisance. Ce n'est pas du tout fait pour une introduction selon moi.

[LordChoco]

@van_fanel
Merci pour le pdf "Symmetries and quantum field theory: an introduction", j'en suis qu'au début mais l'anglais est facile à comprendre et pour le moment il est très bien expliqué