Le mouvement du photon est-il "naturel"?

[invite33b26c8f]

Un physicien à qui j'avais posé une question sur ce qui permettait à un photon d'être en permanence en mouvement m'avait répondu ceci: "rien ne met le photon en mouvement, il suit les géodésiques de l’espace-temps, c’est dans sa nature". Il essayait de me dire que c'était une propriété du photon d'être toujours en mouvement. Mais, ne peut-on pas considérer que le champ électromagnétique est un camp de force, que le photon est transporté par ce champ et qu'il est toujours en mouvement parce qu'il est toujours soumis à l'action de sa force?
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[GrisBleu]

Salut

un photon est un etat excite du champs EM, il n'est pas pousse par ce dernier
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[invite9c9b9968]

Il n'y a plus de notion de force au niveau quantique, on ne parle plus que d'interaction. Or pour des raisons d'invariance de jauge (qui dicte la forme du champ électromagnétique entre autre), le photon qui est l'excitation élémentaire du champ EM doit être de masse nulle.

Cela signifie qu'il est en mouvement dès sa création à partir du vide, et c'est un mouvement à vitesse c (car on ne peut ni ralentir, ni accérer une masse nulle).

[inviteca4b3353]

ue le champ électromagnétique est un camp de force, que le photon est transporté par ce champ et qu'il est toujours en mouvement parce qu'il est toujours soumis à l'action de sa force?

Le photon est une excitation élémentaire du champ EM (cf Gwyddon). Donc le photon est le champ EM, du moins un grain. Ensuite le photon est neutre donc il n'interagit pas électromagnétiquement avec lui-meme. Dit autremement le photon ne "ressent" pas la force électromagnétique qu'il véhicule.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite33b26c8f]

Il n'y a plus de notion de force au niveau quantique, on ne parle plus que d'interaction. Or pour des raisons d'invariance de jauge (qui dicte la forme du champ électromagnétique entre autre), le photon qui est l'excitation élémentaire du champ EM doit être de masse nulle.

Cela signifie qu'il est en mouvement dès sa création à partir du vide, et c'est un mouvement à vitesse c (car on ne peut ni ralentir, ni accérer une masse nulle).

"Le photon est une excitation élémentaire du champ EM", mais cet EXCITATION, comment se déclenche-t-elle? Comment se présente le champ magnétique sans la présence d'un photon? Qu'est-ce exactement? Recouvre-t-il tout l'espace comme le champ gravitationnel? Il est facile de "percevoir" ce qu'est le champ gravitationnel par rapport à l'espace-temps, mais le champ électromagnétique étant capable de se briser en photons de différentes fréquences n'est pas évident à percevoir. Cette question peut paraître naïve, mais si on imaginait ses parties électriques ou magnétiques comme une sorte d'enchaînement de mailles rectangulaires recouvrant l'espace, on imagine bien les dimensions d'une maille quand le champ est photon, car elles sont imposées par sa fréquence, mais quelles sont les dimensions d'une maille quand il n'y a pas de photon?

[invite69d38f86]

Un physicien à qui j'avais posé une question sur ce qui permettait à un photon d'être en permanence en mouvement m'avait répondu ceci: "rien ne met le photon en mouvement, il suit les géodésiques de l’espace-temps, c’est dans sa nature".

Bonjour,

En théorie des champs on n'utilise pas les géodésiques pour décrire le comportement des photons. On parle plutot d'amplitude de probabilité pour une transition (x0,t0) -> (x1,t1) qu'on appelle propagateur.
On voit alors qu'il faut affiner l'idée simple que les photons sont des particules de masse nulle qui vont à la vitesse C dans de vide.
Dans ce cas en prenant x0,t0 = 0,0 le propagateur serait nul hors du cone de lumière de l'origine, ce qui n'est pas le cas.
Sur de cours intervalles il peut aller + ou - vite que C et pourquoi pas se retrouver au même endroit.
Il est donc difficile de parler de la "nature" du photon, particule que certains hésitent à qualifier comme faisant partie de la matière lui attribuant plutot un caractère virtuel.

[inviteca4b3353]

En théorie des champs on n'utilise pas les géodésiques pour décrire le comportement des photons.

En théorie classique des champs dans un espace courbe, si, les photons décrivent des géodésiques.

Sur de cours intervalles il peut aller + ou - vite que C et pourquoi pas se retrouver au même endroit.

Ce n'est vrai uniquement pour ce qu'on appelle les photons virtuels, qui ne sont qu'un artifice de calcul dans les méthodes perturbatives. (encore une fois il ne faut pas voir un diagramme de Feynman comme un processus se réalisant dans la nature)

l est donc difficile de parler de la "nature" du photon, particule que certains hésitent à qualifier comme faisant partie de la matière lui attribuant plutot un caractère virtuel.

Personne de sérieux n'hésite à dire que le photon fait partie de la matière. Le champ EM contribue au tenseur énergie-impulsion de la matière en RG par exemple.
Outre l'utilisation de photons virtuels en théorie quantique des champs, il existe par opposition des photons réels, qui eux vont bien à c.

[Urgon]

Si on regarde les choses selon la théorie des Twisteurs de R. Penrose, l'entité fondamentale n'est pas le photon mais le rayon lumineux, c'est à dire l'extension en 4D du photon.

Donc, si on regarde le photon en 4D (c'est à dire aussi dans le temps), ce n'est plus un point mais une ligne et c'est cette ligne qui "existe". Donc, le photon semble en mouvement car on regarde à tout instant une projection de cette entité fondamentale qui elle est "statique".

Même si on ne souscrit pas à la théorie de Penrose, on peut visualiser la même chose autrement : admettons que on arrive à fabriquer un hypercube à 4 dimensions, la 4ème dimension étant celle du temps. Alors, nous verrions ce cube "bouger" quand nous arriverions à ses coordonnées temporelles, mais bouge-t-il vraiment ?

J'ai l'impression que c'est la même chose pour le photon.

[Deedee81]

Rebonjour Jean-Michel,

Oulàlà, que de questions !
Je vais essayer d'apporter un éclairage (logique avec des photons ).

"Le photon est une excitation élémentaire du champ EM", mais cet EXCITATION, comment se déclenche-t-elle?

Je donne une "double" explication pour être bien sûr
de quoi on parle

Ou bien on adopte une représentation classique (approximative)
du champ électromagnétique où les champs sont continus,
sans photons.

Ou bien on adopte une représentation quantique (photons).

Il ne s'agit pas du passage "physique", d'un "changement",
de l'un à l'autre. Ce sont deux représentations de la même
chose.

Pour obtenir la représentation quantique, on décompose
le champ électromagnétique en "modes" (transformation
de Fourrier), c'est une simple opération mathématique.
Puis on identifie ces modes aux quanta (photons).
(en gros, il y a aussi une histoire d'opérateurs,
de commutation canonique, de métrique indéfinie,
etc., c'est assez complexe).

Mais, comme signalé ci-dessus, il ne s'agit pas
d'une "création" des excitations (photons) mais
du passage d'une description à une autre.
Du pure point de vue quantique (c'est celui-là
qu'il faut adopter puirsqu'on parle de photons)
il n'y a que les photons.
L'espace de tous les états (pour la route, appelé
espace de Fock) est l'espace des états à
un photon, deux photons, etc...
Avec la complication (en physique quantique)
que l'état d'un système peut être une superposition
des états de base.

Maintenant, un photon peut très bien apparaitre
par simple interaction avec des particules chargées
(on montre que le photon est intimement lié
à la charge électrique, je ne vais pas approfondir
ça, je devrais aller trop loin).
Par exemple, si tu percutes un électron avec
une particule (chargée ou neutre), cela va
produire un flot de photons.

Comment se présente le champ magnétique sans la présence d'un photon?

Comme expliqué ci-dessus, c'est l'un ou l'autre.
On fait souvent référence, en physique quantique,
à la "quantification d'un champ répendu partout".
Mais comme expliqué c'est seulement la manière
de construire la description en partant du classique
vers le quantique.

Donc, si tu adoptes la représentation quantique,
il n'y a pas de champ magnétique sans photon.
Pour être exact : le champ magnétique est des
photons ! Plus précisément, un état (complexe)
de photons correspond, après approximation (gommage
des fluctuations quantiques en quelque corte),
à un champ magnétique (ou électrique ou une onde
électromagnétique, etc.).

Qu'est-ce exactement? Recouvre-t-il tout l'espace comme le champ gravitationnel?

Si on parle du "champ utilisé pour obtenir la d"escription quantique",
oui, il est partout. Heureusement car des photons (seule chose
réellement physique dans cette description) peuvent
apparaitre partout. Est-ce bizarre ?
Non, pas pour moi en tout cas, puisque ce
champ (dans cette représentation purement quantique)
n'est qu'un intermédiaire de calcul.

Il est facile de "percevoir" ce qu'est le champ gravitationnel par rapport à l'espace-temps,

En fait, le champ gravitationnel est cet espace-temps
(ou plus exactement sa courbure).

mais le champ électromagnétique étant capable de se briser en photons de différentes fréquences n'est pas évident à percevoir.

C'est sûr que la description quantique est plus
difficile à conceptualiser que la description relativiste
(en tout cas, c'est mon avis, je me représente
plus facilement une variété courbe à 4D qu'un
état quantique superposé ).

Donc, tu imagines bien que si on essaie de combiner les
deux, c'est-à-dire si on essaie de quantifier l'espace-temps
lui-même (sa courbure), aie aie aie, dur dur dur.
C'est une des difficultés en gravité quantique !

Cette question peut paraître naïve, mais si on imaginait ses parties électriques ou magnétiques comme une sorte d'enchaînement de mailles rectangulaires recouvrant l'espace, on imagine bien les dimensions d'une maille quand le champ est photon, car elles sont imposées par sa fréquence, mais quelles sont les dimensions d'une maille quand il n'y a pas de photon?

Faudrait d'abord, avant de répondre à cette question,
voir si cette représentation a un sens. Et j'ai dû mal
à imaginer lequel
D'autant que (comme expliqué) le photon est plutôt
l'équivalent d'un mode et pas d'une maille
(un mode = une fréquence, une phase, une direction et une
polarisation)

[invite33b26c8f]

Donc, si tu adoptes la représentation quantique,
il n'y a pas de champ magnétique sans photon.
Pour être exact : le champ magnétique est des
photons ! Plus précisément, un état (complexe)
de photons correspond, après approximation (gommage
des fluctuations quantiques en quelque corte),
à un champ magnétique (ou électrique ou une onde
électromagnétique, etc.).

Si je comprends bien, un champ est un concept qui permet à une particule d'apparaître ou de disparaître en tout point de l'espace et ceci est possible pour un photon à cause de la présence du champ électomagnétique en tout point de l'espace. Est-ce juste? Si c'est le cas pourquoi dis-tu qu'un photon est un champ électomagnétique, puisque le ce champ n'est que le concept qui lui permet d'apparaître ou de disparaître en tout point de l'espace? Dire qu'un un photon est un champ électomagnétique (à moins que je t'ai mal lu), n'est-ce pas dire qu'un photon est ponctuel et qu'il existe en tout point de l'espace?

[invite88ef51f0]

Salut,
SI tu veux une analogie, le champ électromagnétique est la mer, et le photon est une vague.
Le champ est donc partout, et le photon correspond à une excitation, plus ou moins localisée.

[invite33b26c8f]

???

Oh! En relisant ta réponse je constate que tu dis "il n'y a pas de champs magnétique sans photon" et non "il n'y a pas de champs électromagnétique sans photon". En fait, je m'étais trompé dans ma question en parlant de champs magnétique, je voualis dire "champs électromagnétique". Je pense donc que tu n'as pas dit que le photon était un champ électromagnétique, mais quelqu'un d'autre l'a dit plus haut.

[invite5e5dd00d]

Le champ magnétique et le champ électrique (le champ électromagnétique donc) sont portés par le photon.

[invite33b26c8f]

Salut,
SI tu veux une analogie, le champ électromagnétique est la mer, et le photon est une vague.
Le champ est donc partout, et le photon correspond à une excitation, plus ou moins localisée.

Merci, là c'est parfait pour moi, la vague peut apparaître et disparaître en n'importe quel point de la mer.