précisions photon et interaction matière rayonnement

[pcpc]

bonjour, j'aurais besoin de précision concernant l'interaction rayonnement matière. J'ai lu une phrase qui m'a un peu perdue concernant la notion de photon. Je vous la cite:
"en toute rigueur, le photon est un modèle qui ne modélise que l'interaction entre matière et rayonnement et pas le rayonnement lui-même".
J'ai donc plusieurs interrogations :
-est-ce juste de dire que la lumière est constituée de photons alors que plus haut, il est mentionné que le photon ne modélise pas le rayonnement en soi
-concernant l'hypothèse des quanta de Planck (corps noir),on parle d'échanges d'énergie entre le corps et le rayonnement mais pour moi, le rayonnement émis est lui-même un transfert d'énergie entre le corps et l'extérieur donc je comprends pas le terme "échange d'énergie entre le corps et le rayonnement": pour moi, un corps chauffé doit émttre de l'énergie et le fait en émettant des photons qui constituent le rayonnement émis.
comme vous le voyez, c'est assez confus dans ma tête...
Merci beaucoup
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[invite264f71b9]

Bonjour,

Je vais peut-être dire une bêtise mais je crois que cela fait référence au fait que pour étudier l'absorption ou l'émission d'un flux lumineux par un matériaux, on "l'explique" par un modèle corpusculaire (transition radiative entre deux niveaux d'énergie) mais quand il s'agit de transport dans un milieu, on utilise le modèle ondulatoire. En autre termes, une fois que le flux lumineux est émis, on ne le traite uniquement qu'en terme d'onde. En tout cas, c'est comme ça que je le comprends.

[Pyrrhon d'Élis]

bonjour, j'aurais besoin de précision concernant l'interaction rayonnement matière. J'ai lu une phrase qui m'a un peu perdue concernant la notion de photon. Je vous la cite:
"en toute rigueur, le photon est un modèle qui ne modélise que l'interaction entre matière et rayonnement et pas le rayonnement lui-même".

Bonjour,
très rapidement : je ne suis pas du tout d'accord avec la phrase citée. En théorie quantique des champs (qui est quand même le cadre théorique la plus fondamentale pour décrire le rayonnement), le photon n'apparait pas uniquement pour modéliser l'interaction entre la matière et le rayonnement, puisque même lorsque l'on fait abstraction de l'interaction (en considérant le rayonnement libre), le concept de photon émerge. Le concept de photon traduit le fait que l'énergie, l'impulsion et le moment cinétique du champ électromagnétique sont quantifiés.

[pcpc]

merci pour ta réponse, c'est plus clair, effectivement, si tu considères l'émission/absorption, le photon n'est créé ou absorbé que pndant l'interaction.
Par contre, pour l'hypothèse de Planck, je vois toujours pas comment interpréter l'expression"échange d'énergie entre la matière et le rayonnement"

[A voir en vidéo sur Futura]

[pcpc]

nos messages se sont croisés, le dernier s'adressait à asteque.
Oui donc moi aussi, il me semblait que la notion de photon inerveniait aussi pour décrire un rayonnement. Par contre, c'est vrait que si on considère le rayonnement constitué de photons, les explications sont plsu complexes pour moi en terme d'échange d'énergie pour le rayonnement du corps noir : le corps chauffé émet un rayonnement donc des photons et pour moi, le rayonnement n'est que la conséquence de cela donc pour moi, il n'y a pas d'échange d'énergie entre le corps et le rayonnement...

[Amanuensis]

merci pour ta réponse, c'est plus clair, effectivement, si tu considères l'émission/absorption, le photon n'est créé ou absorbé que pndant l'interaction.
Par contre, pour l'hypothèse de Planck, je vois toujours pas comment interpréter l'expression"échange d'énergie entre la matière et le rayonnement"

Problème de vocabulaire. Suffit de remplacer "rayonnement" par "champs électro-magnétique".

La création ou l'absorption d'un photon est un échange d'énergie (et de quantité de mouvement et de moment cinétique) entre la matière et le champs électro-magnétique.

[Amanuensis]

puisque même lorsque l'on fait abstraction de l'interaction (en considérant le rayonnement libre), le concept de photon émerge.

Pas évident.

Le concept de photon traduit le fait que l'énergie, l'impulsion et le moment cinétique du champ électromagnétique sont quantifiés.

C'est quoi exactement l'énergie, la quantité de mouvement ou le moment cinétique du champ e.m. ? Le total de chacune de ces grandeurs pour l'intégralité du champ e.m. de l'Univers ?

Peut-on parler d'autre chose que d'une densité volumique (1) de ces grandeurs ? Et si on ne peut parler que de cela, comment comprendre "quantifiés" ??

(1) ou de flux de ces grandeurs

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Au vu de ces difficultés, la phrase (corrigée) :

"en toute rigueur, le photon est un modèle qui ne modélise que l'interaction entre matière et champ électro-magnétique et pas le champ électro-magnétique lui-même"

me paraît une base dont on peut s'éloigner qu'avec précautions, surtout quand on réalise qu'elle est suffisante pour rendre compte de ce qu'on observe.

[pcpc]

désolé mais j'ai toujours du mal pour l'émission: quand un corps A émet un photon, il échange de l'énergie avec quoi ? C'est ça que j'arrive pas à voir parce que quand tu dis, le champ EM, pour moi, il n'existe qu'une fois le photon émis...

[Amanuensis]

désolé mais j'ai toujours du mal pour l'émission: quand un corps A émet un photon, il échange de l'énergie avec quoi ? C'est ça que j'arrive pas à voir parce que quand tu dis, le champ EM, pour moi, il n'existe qu'une fois le photon émis...

Dans les modèles "modernes", que ce soit l'électro-magnétisme classique ou l'électro-dynamique quantique, le champ e.m. "existe" en permanence. Il est traité comme un objet en lui-même, qui échange énergie, quantité de mouvement et moment cinétique avec la matière.

Une interaction entre le champ et la matière ajoute ou retire (plus ou moins localement) de l'énergie au champ (et modifie les deux autres grandeurs).

[pcpc]

OK, je faisais une confusion entre le champ EM ambiant et celui créé par l'émission des photons, c'est pour ça que je comprenais pas.
merci pour ta patience.

[Pyrrhon d'Élis]

Pas évident.

Il suffit d'ouvrir un livre de théorie quantique des champs, au chapitre "quantification du champ libre" pour s'en convaincre...

C'est quoi exactement l'énergie, la quantité de mouvement ou le moment cinétique du champ e.m. ? Le total de chacune de ces grandeurs pour l'intégralité du champ e.m. de l'Univers ?

C'est quelque chose qui est très bien déterminé conceptuellement (même si, bien sûr, cela nécessite abstraction et simplification pour l'appliquer à tout cas concret, mais c'est le propre même de toute modélisation) , et c'est d'ailleurs pratiquement la première chose que l'on fait lorsque l'on formule une théorie du champ électromagnétique dans le formalisme lagrangien. Lorsque l'on formule une théorie des champs, on commence par poser un Lagrangien, qui est l'intégrale sur un volume convenablement choisi (cela peut être tout l'univers, ou un volume dans lequel on applique des conditions aux limites) d'une densité de lagrangien. A partir du lagrangien, on peut définir un Hamiltonien dont les valeurs propres après quantification sont les valeurs possibles de l'énergie du champs. On peut également définir une quantité de mouvement du champs, qui est, d'après le théorème de Noether la quantité qui se conserve si le lagrangien est invariant par translation spatial ; et de même pour le moment cinétique (invariance par rotation). Toutes ces grandeurs deviennent des opérateurs après quantification, opérateurs ayant un spectre discret.

Au vu de ces difficultés, la phrase (corrigée) :

"en toute rigueur, le photon est un modèle qui ne modélise que l'interaction entre matière et champ électro-magnétique et pas le champ électro-magnétique lui-même"

me paraît une base dont on peut s'éloigner qu'avec précautions, surtout quand on réalise qu'elle est suffisante pour rendre compte de ce qu'on observe.

Je ne comprend toujours pas sur quoi tu te bases pour affirmer ça...

[gatsu]

Je ne comprend toujours pas sur quoi tu te bases pour affirmer ça...

On sait que les échanges d'energie et cie entre le champ EM et la matière se fait par quantas mais ça ne renseigne que sur une partie du problème : ce qu'il se passe au moment de l'interaction.

En gros on sait que lorsqu'un atome émet de la lumière c'est sous forme de photons mais rien ne nous permet d'affirmer que le champ EM n'est constitué que de photons.

Même lorsqu'il y a vide de photons il y a toujours un champ EM qui reigne et bien que ce dernier soit qualifié de fluctuation quantique de vide il ne correspond pas à des fluctuations du nombre de photons dans le système (l'opérateur de comptage admet pour valeur propre dans un vide EM) genre "autour de zéro".

Bref les précautions que prend Amanuensis sont tout à fait justifiées selon moi.

[Amanuensis]

Je ne comprend toujours pas sur quoi tu te bases pour affirmer ça...

Sur le simple fait que toutes les observations portant sur le champ électro-magnétique mettent en jeu des interactions entre le champ et la matière.

Je ne sais pas quel est l'auteur de la phrase citée dans le message originel ("en toute rigueur, le photon est un modèle qui ne modélise que l'interaction entre matière et rayonnement et pas le rayonnement lui-même"), peut-être pcpc pourra-t-il nous l'indiquer ?

Mais je la comprends très bien (une fois "rayonnement" modifié). La TQC est un modèle, ce dont elle rend compte sont des observations, et ces observations se limitent à ce qu'on interprète dans le cadre dudit modèle comme des interactions entre le champ et la "matière" (y compris les interactions photons-photons, qui passent par de la "matière", même si virtuelle).

Je renverse la charge de preuve : quand intervient la "composition en photons" du champ, autrement que par interaction avec la matière ?

Edit : Simultanéité avec gatsu, mais je ne pense pas qu'il y ait de contradiction entre les deux messages.

[Amanuensis]

C'est quelque chose qui est très bien déterminé conceptuellement (...)

Pas le total.

Lorsque l'on formule une théorie des champs, on commence par poser un Lagrangien, qui est l'intégrale sur un volume convenablement choisi (cela peut être tout l'univers, ou un volume dans lequel on applique des conditions aux limites) d'une densité de lagrangien.

On commence par poser la densité de lagrangien, c'est même assez évident dans le texte cité même !

Jamais vu l'intégrale à "tout l'univers". D'ailleurs, cela n'a pas grand sens en RR, et la QFT est censé être compatible avec la RR, non ?

[Pyrrhon d'Élis]

Sur le simple fait que toutes les observations portant sur le champ électro-magnétique mettent en jeu des interactions entre le champ et la matière.

La TQC est un modèle, ce dont elle rend compte sont des observations, et ces observations se limitent à ce qu'on interprète dans le cadre dudit modèle comme des interactions entre le champ et la "matière" (y compris les interactions photons-photons, qui passent par de la "matière", même si virtuelle).

Je renverse la charge de preuve : quand intervient la "composition en photons" du champ, autrement que par interaction avec la matière ?

A vrai dire, je me doutais que ce genre de réflexions était à l'origine de tes remarques (mon précédent message aura eu le mérite de les faire expliciter). Si tu veux vraiment adopter une position positiviste, je suis très à l'aise avec ça, mais seulement, il faut bien avoir conscience que ce genre d'attitude est cohérente qu'uniquement si l'on va jusqu'au bout : comme le dit Bricmont "il ne faut pas oublier qu’en mécanique quantique il n’y a ni boson, ni fermion, ni champ, ni spin, ni quoi que ce soit… Il n’y a aucune propriété. Il y a simplement, si on la prend littéralement, des recettes qui vous disent ce qui se passe lorsque vous faites des manipulations en laboratoire — point à la ligne". Philosophiquement, je ne contredit pas un mot de ce que dit Bricmont.

Mais il faut bien avoir conscience que, conceptuellement, en théorie quantique des champs, le photon (ou le champ électromagnétique) a exactement le même statut que l'électron (ou le champ de Dirac). Je peux te retourner la question suivante : est-ce que le fait qu'observer la matière nécessite qu'elle interagisse avec le champ électromagnétique (puisque l'électron ne manifeste sa présence que par son interaction électromagnétique) signifie selon toi que "l'électron est un modèle qui ne modélise que l'interaction entre matière et champ électro-magnétique et pas la matière elle-même" ?

On peut même aller encore plus loin dans la discussion épistémologique, en prenant en compte que finalement, l'information que l'on a sur le monde extérieur ne nous parvient qu'à travers les informations qui arrivent à notre cerveau : bref on voit bien qu'en appliquant une position critique jusqu'au bout, on va vers des considérations qui nous éloignent beaucoup de la question qui était primitivement posée. Or, d'un point de vue heuristique, et pour se faire une idée claire de ce qu'est un photon et se familiariser avec la théorie quantique des champs, il est plus pertinent de mettre le photon exactement sur le même plan que l'électron. D'ailleurs, c'est justement ce que font tout les traitées de théorie quantique des champs. Si on veut se lancer après dans une discussion philosophique sur l'ontologie qu'il y a derrière tout, je suis preneur, et je pense qu'on peut raisonnablement aller très loin dans la suspension de jugement concernant l'ontologie sous-jacente. Mais je ne pense pas que c'est ce que voulait pcpc, et il me semble que pour la clarification du concept de photon, mon point de vue est beaucoup plus pertinent que le votre (cette réponse concerne également ce que dit Gatsu).

Jamais vu l'intégrale à "tout l'univers".

Encore ce point de vue positiviste qui consiste à penser qu'un concept est illégitime du moment qu'il ne s'applique jamais véritablement à la réalité. As-tu déjà vu une réalisation stricte du principe d'inertie ? Cela n'a pas empêché le fait que sa formulation est une des plus grandes avancées conceptuelles de l'histoire des sciences. Les concepts se développent par abstraction et idéalisation, et ne sont pas extraits, comme tu sembles le penser, directement par l'expérience.

[Amanuensis]

(puisque l'électron ne manifeste sa présence que par son interaction électromagnétique)

C'est faux.

[Amanuensis]

Mais je ne pense pas que c'est ce que voulait pcpc

Ce que voulait pcpc, à ce que j'en comprends, était comprendre la phrase qu'il a trouvée quelque part.

J'ai répondu en essayant d'expliquer, de donner des éléments pour comprendre la phrase, en particulier en proposant la modification "rayonnement" => "champ électro-magnétique

Je n'ai pas perçu la question de pcpc comme cherchant à discuter épistémologie, et du coup n'ai pas considéré qu'une réponse contredisant la phrase en question était appropriée, car la contradiction ne pouvait être que "philosophique".

Quand je tombe sur un texte que je ne comprends pas, je ne suis pas intéressé en général par une explication qu'il est faux, mais par une explication sur le sens que l'auteur du texte a cherché à faire passer avec cette phrase.

Mais ma position en philo est celle d'un sceptique : je suis ouvert à toutes les thèses tant qu'il n'y a rien qui me force à décider. Comprendre chaque thèse, en voir les avantages et les défauts, m'intéresse bien plus que décider laquelle est "la bonne".

Il n'y a qu'en maths et en physique où il me semble important d'être précis et de ne pas écrire des incohérences (en maths) ou des contradictions avec les faits reconnus (en physique). Là, je choisis : la cohérence en maths, et la conformité aux observations en physique. Au-delà, c'est libre.

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Maintenant, si on veut discuter philo, on peut ouvrir un autre fil...

[invite6754323456711]

"en toute rigueur, le photon est un modèle qui ne modélise que l'interaction entre matière et champ électro-magnétique et pas le champ électro-magnétique lui-même"

La matière n'est elle pas aussi modélisé par une notion de champ ?

http://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A...que_des_champs

Le Fermions, comme l'électron, peut seulement être décrit comme des ondulations/excitations dans un champ, quand chaque sorte de fermion a son propre champ. En résumé, la visualisation classique de « tout est particules et champ », dans la théorie quantique des champs, se transforme en « tout est particules », puis « tout est champs ». à la fin, les particules sont considérées comme des états excités d'un champ (champ quantique).

Patrick

[invite6754323456711]

On peut même aller encore plus loin dans la discussion épistémologique, en prenant en compte que finalement, l'information que l'on a sur le monde extérieur ne nous parvient qu'à travers les informations qui arrivent à notre cerveau :

L'erreur peut aussi être dans les prémisses.

Patrick

[Amanuensis]

La matière n'est elle pas aussi modélisé par une notion de champ ?

Pas "la matière". Chaque type de particule, que ce soit des bosons ou des fermions.

Il y a néanmoins des différences significatives. Les modèles permettent de donner un sens à la position d'un électron par exemple ; mais pas pour le quantum de champ électro-magnétique en dehors des interactions. Ou encore, il y a une bonne approximation "classique" pour l'électron en tant que particule ; il n'y en a pas pour le photon.

(Et cela n'a rien à voir avec l'ontologie ou le réalisme, ce sont juste des propriétés des modèles.)

[invite6754323456711]

(Et cela n'a rien à voir avec l'ontologie ou le réalisme, ce sont juste des propriétés des modèles.)

Par "matière" je parlais de notre conceptualisation de nos observations (entaché d'une théorie elle même entaché d'observation antérieure).

Patrick

[Pyrrhon d'Élis]

C'est faux.

Électrofaible si tu veux, et rajoutes la gravitation, mais ça change pas grand chose à mon argumentation (à moins que ce n'est pas cela que tu as en tête lorsque tu dis que c'est faux : mais je ne vois pas comment tu pourrais contester le fait que si l'électron n'interagissait avec aucun champ, il ne se manifesterait tout simplement pas - certes, on ne serait pas là pour le constater).

Ce que voulait pcpc, à ce que j'en comprends, était comprendre la phrase qu'il a trouvée quelque part.

J'ai répondu en essayant d'expliquer, de donner des éléments pour comprendre la phrase, en particulier en proposant la modification "rayonnement" => "champ électro-magnétique

Je n'ai pas perçu la question de pcpc comme cherchant à discuter épistémologie, et du coup n'ai pas considéré qu'une réponse contredisant la phrase en question était appropriée, car la contradiction ne pouvait être que "philosophique".

Quand je tombe sur un texte que je ne comprends pas, je ne suis pas intéressé en général par une explication qu'il est faux, mais par une explication sur le sens que l'auteur du texte a cherché à faire passer avec cette phrase.

J'en prend acte.
A mon tour de m'expliquer : tu as peut-être raison concernant les motivations de pcpc (seul lui le sait); j'ai cependant plutôt compris que son objectif premier était, au-delà de la compréhension de cette phrase, la compréhension du concept de photon (si ce n'est pas le cas, autant pour moi). Ma première remarque est que la phrase en question apporte plus de confusion qu'autre chose. Deuxièmement, elle me parait extrêmement difficile à défendre, et (je le dis amicalement) rien de ce que tu as dis n'a changé ne serait-ce que d'un iota mon point de vue.

D'une part, quelque chose me gêne dans ton raisonnement. Le photon y est présenté comme un modèle, et tu mobilises des arguments épistémologiques (comment prend-on des informations sur la structure du champ EM ?) pour conclure que le photon ne s'applique pas au champ électromagnétique lui-même. Or, le fait même que cela soit un "modèle" permet de s'affranchir de tels raisonnements épistémologiques (je modélise ce que je veux sans tenir compte de savoir comment il m'est venu l'idée de modéliser la chose d'une telle façon ; en retour, je regarde si les conséquences de mon modèle sont concordantes avec l'expérience : la structure conceptuelle de mon modèle n'a pas forcément à être affectée par la manière avec laquelle je vérifie les conséquences).

Deuxièmement, le concept de photon a une histoire : il remonte à Einstein qui introduit le quantum de lumière en physique non pas pour modéliser l'interaction entre la matière et la lumière, mais bien pour modéliser le champ électromagnétique lui-même (c'est seulement après avoir entrepris des raisonnements thermodynamique sur le champ libre qu'il entreprend d'appliquer son hypothèse de quanta de lumière à l'effet photo-électrique). Il l'introduit en effet en prenant au sérieux le fait qu'on puisse parler d'entropie pour un champ électromagnétique libre. Pendant des années son hypothèse n'a pas été vraiment prise au sérieux, justement parce que ces détracteurs (comme Planck) espéraient expliquer la lois de Planck grâce au mécanisme d'interaction entre champ EM et matière, et non pas à la structure du champ EM lui-même. La genèse même du concept de photon va donc à l'opposée de la phrase en question. Tu me diras que, aujourd'hui, le cadre conceptuel dans lequel s'insère naturellement le concept de photon est différent de celui d'Einstein. Mais, il se trouve que ce cadre conceptuel est celui de la théorie quantique des champs, et que, dans ce cadre, le concept de photon renvoie directement à la structure du champ électromagnétique lui-même (le fait de dire que le champ électromagnétique ne se manifeste que par ses interactions avec la matière n'empêche nullement de le modéliser et de faire apparaitre le concept de photon sans prendre en compte dans un premier temps les interactions entre champ EM et matière : et c'est d'ailleurs par là que commence tout cours de QED).

D'ailleurs, petite parenthèse, je ne comprends vraiment pas tes objections concernant la légitimité de parler d'énergie, impulsion, et et moment cinétique du champ quand tout l'appareillage mathématique de la QED y fait directement référence (l'espace de Fock est engendré par les vecteurs propres des opérateurs Hamiltonien, impulsion et moment cinétique du champ EM).

Bref, c'est plutôt le fait d'aller à l'encontre des choses que je viens d'énoncer qui me parait ne pouvoir relever que de la philosophie ou de l'épistémologie, tant l'appareillage conceptuelle de la QED, telle qu'elle est habituellement présentée, est claire à ce sujet.

[Amanuensis]

pour conclure que le photon ne s'applique pas au champ électromagnétique lui-même.

Je n'ai jamais conclu ou écrit cela.(1)

Je ne commente pas plus (et ne lit pas le message plus loin), je déteste ce genre de faux débat où quelqu'un a un dogme à défendre et prête à une personne qui ne va pas dans son sens des propos qui ne sont pas les siens.

Je n'interviendrai sur ce fil que si pcpc se manifeste et si une intervention de ma part peut l'aider.

(1) L'intervention de gatsu montre qu'on pouvait comprendre ce que je cherchais à exprimer.

[gatsu]

A mon tour de m'expliquer ...
Deuxièmement, le concept de photon a une histoire : il remonte à Einstein qui introduit le quantum de lumière en physique non pas pour modéliser l'interaction entre la matière et la lumière, mais bien pour modéliser le champ électromagnétique lui-même (c'est seulement après avoir entrepris des raisonnements thermodynamique sur le champ libre qu'il entreprend d'appliquer son hypothèse de quanta de lumière à l'effet photo-électrique). Il l'introduit en effet en prenant au sérieux le fait qu'on puisse parler d'entropie pour un champ électromagnétique libre. Pendant des années son hypothèse n'a pas été vraiment prise au sérieux, justement parce que ces détracteurs (comme Planck) espéraient expliquer la lois de Planck grâce au mécanisme d'interaction entre champ EM et matière, et non pas à la structure du champ EM lui-même. La genèse même du concept de photon va donc à l'opposée de la phrase en question.

Tu cites des exemples où le concept de photons est nécessaire il est normal que cela te conduise à cette conclusion. Il est indéniable qu'un rayonnement doit être décrit en terme de photons et que donc d'une certaine façon si il y a au moins un photon il y a un champ EM. Cela ne veut pas dire que si il n'y a pas de photon il n'y a pas de champ EM.

Mais, il se trouve que ce cadre conceptuel est celui de la théorie quantique des champs, et que, dans ce cadre, le concept de photon renvoie directement à la structure du champ électromagnétique lui-même (le fait de dire que le champ électromagnétique ne se manifeste que par ses interactions avec la matière n'empêche nullement de le modéliser et de faire apparaitre le concept de photon sans prendre en compte dans un premier temps les interactions entre champ EM et matière : et c'est d'ailleurs par là que commence tout cours de QED). .

Ce que tu dis est presque tout à fait vrai pour un champ libre excepté le fait que tu fais fi de l'interprétation à faire du champ EM en l'absence de photons comme je le mentionnais dans mon premier message.

Il y a par ailleurs le fait que les photons font référence à des polarisations transverses et que les forces Coulombiennes font intervenir des champs électriques longitudinaux par exemple et apparaissent a priori lorsqu'il y a vide de photons.

On pourra toujours me parler de photons virtuels mais premièrement c'est un point délicat et deuxièmement d'un point de vue epistémologique ils ne sont pas obersvables.

Tout ça pour dire que, contrairement à ce que tu avances, la phrase du fil n'est pas extremement difficile à défendre ou du reste des arguments existent pour la soutenir et il peut être intéressant de les discuter.

[invite6754323456711]

Mais, il se trouve que ce cadre conceptuel est celui de la théorie quantique des champs, et que, dans ce cadre, le concept de photon renvoie directement à la structure du champ électromagnétique lui-même (le fait de dire que le champ électromagnétique ne se manifeste que par ses interactions avec la matière n'empêche nullement de le modéliser et de faire apparaitre le concept de photon sans prendre en compte dans un premier temps les interactions entre champ EM et matière : et c'est d'ailleurs par là que commence tout cours de QED).

En quoi cette conceptualisation (structure interne du champ électromagnétique) permet de déduire une description rendant compte de ce qui est observable à savoir l'interaction avec la matière ? Comment apparaît son aspect prédictif ?

Patrick

[chaverondier]

Pas "la matière". Chaque type de particule, que ce soit des bosons ou des fermions.

Il y a néanmoins des différences significatives. Les modèles permettent de donner un sens à la position d'un électron par exemple ; mais pas pour le quantum de champ électro-magnétique en dehors des interactions. Ou encore, il y a une bonne approximation "classique" pour l'électron en tant que particule ; il n'y en a pas pour le photon.

Je suis tenté d'être assez d'accord avec vous sur l'idée selon laquelle le photon, vu comme une entité possédant (aux relations d'incertitudes près) une position en sus de son énergie et de son impulsion doit être vu comme n'existant qu'au moment où il interagit avec la matière. Toutefois, une fois qu'il s'est échappé de la matière, le photon continue à exister sous une forme modélisée par sa fonction d'onde (et il garde l'énergie et l'impulsion qu'il avait au moment de s'échapper).

Je cite, à ce sujet, le tome de mécanique quantique de Feynman (édition DUNOD) §21-4 La signification de la fonction d'onde :

Il existe, pour la fonction d'onde du photon, une équation analogue à l'équation de Shrödinger pour l'électron. L'équation est exactement identique aux équations de Maxwell pour le champ électromagnétique et la fonction d'onde est la même que le potentiel vecteur A. Il se trouve que la fonction d'onde [du photon] est identiquement le potentiel vecteur. Physique classique et physique quantique sont [dans ce cas particulier] une seule et même chose, du fait que les photons sont des particules de Bose sans interaction et qu'ils peuvent être nombreux dans un même état - comme vous le savez, ils aiment à être dans un même état [comme tout Boson de Panurge qui se respecte ].

Cela dit, je comprends et partage votre gêne à désigner par le même nom la "chenille et le papillon" (le photon s'échappant brusquement de son piège matériel et le photon libre de se déplacer librement dans le "vide").

J'avoue, cependant, être assez tenté par l'image (l'hypothèse ?) d'un photon se déplaçant de proche en proche par interaction avec un milieu juste un peu plus subtil qu'un milieu matériel. On voit bien, par exemple, que l'équation de propagation d'un électron de place en place dans un cristal est la même que l'équation de propagation d'un électron dans le vide (l'équation de Schrödinger) en échangeant masse et masse effective ainsi qu'impulsion et impulsion effective (cf, toujours de Feynman §13 Propagation dans un réseau cristallin).

Au passage, l'hypothèse de particules absorbées puis réémises de place en place par un milieu de propagation des ondes (qu'il s'agisse de fermions élémentaires ou de bosons d'échange) permettrait de tendre la perche à la théorie (time symmetric) de l'absorbeur de Wheeler et Feynman (1).

En effet, cette théorie s'était cassé le nez sur des situations où le flux émis était supérieur au flux réabsorbé un peu plus tard. Ils l'avaient donc abandonnée suite à cette difficulté (2). Ce problème de conservation du flux serait résolu dans l'hypothèse où le flux en question ne serait jamais perdu mais absorbé puis réémis de proche en proche par un vide quantique (qu'on pourrait, par exemple, imaginer être un genre de condensat de Bose Einstein de Positronium pour ce qui est de l'émission absorption de photons. Je dis un genre parce que si ça marchait il y aurait sûrement déjà un article publié sur le sujet).

(1) j'ai tendance à y croire car je soupçonne le phénomène de mesure quantique sur des parties EPR corrélées avec son caractère d'interaction d'apparence instantanée (vu dans notre espace-temps macroscopique), de passer à travers les mailles du filet trop grossier que constitue le stockage d'informations classiques dans des bains thermiques. Ce mode d'observation, le seul à notre disposition, est, à mon avis, à l'origine de notre perception de l'écoulement irréversible du temps perçu à notre échelle et du caractère irréversible et non local de la mesure quantique (qui en découle).

(2) La théorie a été reprise par John CRAMER dans sa Transactional Interpretation of Quantum Mechanics, mais j'avoue être un peu sceptique sur sa solution à ce problème par "rebond sur la singularité Big Bang" (et ce, seulement quand ce rebond est nécessaire pour rétablir l'équilibre, mais peut-être n'ai-je pas bien compris son modèle).

[vaincent]

Bonjour,

En gros on sait que lorsqu'un atome émet de la lumière c'est sous forme de photons mais rien ne nous permet d'affirmer que le champ EM n'est constitué que de photons.

Même lorsqu'il y a vide de photons il y a toujours un champ EM qui reigne et bien que ce dernier soit qualifié de fluctuation quantique de vide il ne correspond pas à des fluctuations du nombre de photons dans le système (l'opérateur de comptage admet pour valeur propre dans un vide EM) genre "autour de zéro".

J'aurais tendance à dire que cet argument n'est "pas faux". Mais j'aurais aussi tendance à nuancer l'interprétation que tu fais de ce résultat.
Lors de la quantification de champs électromagnétique libre, il apparait que le champs est constitué d'un ensemble d'oscillateurs quantiques dont les modes(états) propres sont des états à n photons(états de Fock). Le champs EM libre est donc modélisé par un ensemble de photons.
Dans l'état fondamental (zéro photons dans tous les modes), le champs est effectivement nul : ( est l'opérateur champs électrique). Par contre (et vaut même l'infini pour un nombre de mode infini).
Premièrement, ce résultat n'est pas totalement surprenant(quoique !), car l'état est un état propre de l'opérateur nombre de photons qui ne commute pas avec . Deuxièmement, par construction, les valeurs propres de sont les entiers naturels(positifs ou nul), et il est donc impossible que ai est une dispersion non-nulle autour de zéro. (-1 photon par ci, + 1 photon par là, ça n'a aucun sens !). On pouvait donc s'attendre à ce que . Ce n'est pas pour autant que cela remet en cause notre modélisation du champs en tant qu'ensemble d'oscillateurs quantiques et donc en tant qu'ensemble de photons. Il faudrait dans ce cas, revoir notre protocole de quantification et voir ce qu'il manque pour décrire complètement le champs EM libre dans un état à un nombre de photons non-nul. Mais bien sûr cela n'est pas fait car inutile.
Pour approfondir le sujet, je propose cette extrait de cours, où les discussions sont éclairantes, et qui contient en plus le calcul détaillé de l'effet Casimir.

[Pyrrhon d'Élis]

Je n'ai jamais conclu ou écrit cela.(1)

Je ne commente pas plus (et ne lit pas le message plus loin), je déteste ce genre de faux débat où quelqu'un a un dogme à défendre et prête à une personne qui ne va pas dans son sens des propos qui ne sont pas les siens.

Je n'interviendrai sur ce fil que si pcpc se manifeste et si une intervention de ma part peut l'aider.

(1) L'intervention de gatsu montre qu'on pouvait comprendre ce que je cherchais à exprimer.

J'essaie d'être de bonne foi. Maintenant, cela peut arriver dans une discussion qu'il y ait des incompréhensions sur ce que les autres veulent dire ou non. Je constate en lisant Gatsu que ça semble être également le cas pour lui en ce qui me concerne, mais je ne l'accuse pas pour autant de défendre un dogme. Tu dis : "en toute rigueur, le photon est un modèle qui ne modélise que l'interaction entre matière et champ électro-magnétique et pas le champ électro-magnétique lui-même". La phrase que tu me reproches est une phrase courte que j'ai utilisée pour éviter d'écrire encore cette longue phrase. Si elle déforme à ce point ce que tu as en tête, je m'en repens. Dans tout les cas, j'ai réalisé mon argumentation en ayant la longue phrase en tête, et non pas la phrase "raccourci". Je pourrais également exprimer le sentiment que j'ai qu'à part me reprendre sur des détails mineurs de mon argumentation, tu n'as jamais essayé de répondre aux argumentations de fond que je te proposais, mais encore une fois, la part de subjectif est grand dans ce genre de discussions, car chacun ne comprend pas forcément la façon de penser de l'autre, mais ce n'est pas pour autant qu'il faut attribuer de la malhonnêteté ou de la mauvaise foi à l'autre.
Cela dit, si la discussion commence à te souler, je comprend et je ne voudrais pas que tu ais une opinion si mauvaise de moi qu'elle te pousse à me fuir à chaque fois que j'interviens dans le forum.

Cela ne veut pas dire que si il n'y a pas de photon il n'y a pas de champ EM.

Je n'ai jamais dit non plus une telle chose. Le fait qu'il n'y ait pas de photon veut seulement dire que le champ est dans son état fondamentale. Tout comme l'oscillateur harmonique est "encore là" lorsqu'il est dans son état fondamental...

Ce que tu dis est presque tout à fait vrai pour un champ libre excepté le fait que tu fais fi de l'interprétation à faire du champ EM en l'absence de photons comme je le mentionnais dans mon premier message.

Je ne comprend pas vraiment l'argumentation : je n'ai jamais dit : "le champ électromagnétique est modélisé uniquement par des photons", mais seulement que le concept de photon est un des concepts qui se réfèrent directement à la modélisation du champ lui-même. Le champ électromagnétique, tel que je l'entend ici, est un système physique dont un certains nombre de grandeurs (l'énergie, la quantité de mouvement, les champs électriques et magnétiques, et on peut en former d'autres) caractérisent l'état (bien entendu, en TQC, c'est plus compliqué dans la mesure où comme tout les opérateurs qui représentent ces grandeurs ne commutent pas, ils ne peuvent pas se voir attribuer simultanément des valeurs définies). J'essaie seulement de dire que le concept de photon a un sens clair en soit sans que l'on fasse référence à une interaction. Le concept "l'argent qu'il y a dans mon compte en banque" est un concept se référant uniquement à mon compte en banque, quand bien même cet argent ne sert strictement à rien si les banquiers et moi-même n'interagissons pas avec mon compte en banque pour en retirer et en ajouter. Autre exemple plus proche de notre discussion : dirais-tu que "le quantum de l'oscillateur harmonique", ou "le quantum d'une corde vibrante quantique" est, en toute rigueur, un "modèle qui ne modélise que l'interaction entre cet oscillateur (ou cette corde) avec un autre système physique quelconque et pas l'oscillateur (ou la corde) lui-même (elle-même)". Si tu peux justifier la première affirmation (celle concernant le photon), alors tu peux justifier celle que je viens de proposer, étant donné que le photon a exactement le même statut vis-à-vis du champ EM que le quantum de l'oscillateur vis à vis de ce dernier. Si tu ne peux pas justifier la phrase concernant l'oscillateur, alors je ne vois pas bien le sens à donner à celle concernant le photon.

[gatsu]

Ce n'est pas pour autant que cela remet en cause notre modélisation du champs en tant qu'ensemble d'oscillateurs quantiques et donc en tant qu'ensemble de photons.

Je ne suis pas certain d'être d'accord avec le lien logique...le champ EM libre est décrit de façon univoque (en jauge de radiation par exemple) par un champ d'oscillateurs quantiques je suis d'accord. Mais cela n'est pas équivalent à un champ de photons. Un photon étant un objet crée par un opérateur et détruit par un opérateur dont le nombre est compté par l'opérateur que tu as mentionné. Les fameuses contributions en ne correspondent pas à la présence de photons mais plutot au fait qu'on ne peut pas annuler à la fois l'impulsion du champ et son amplitude.

[pcpc]

Ce que voulait pcpc, à ce que j'en comprends, était comprendre la phrase qu'il a trouvée quelque part.

exactement et d'ailleurs, je l'ai comprise une fois le terme rayonnement remplacé par champ EM (plus logique pour moi).
Concernant la phrase, je l'ai trouvée ici
http://www.dialogus2.org/EIN/lanatureduphoton.html

a+