Dualité de la lumière

[invitebe6f7209]

Bonjour,

J'ai du mal à comprendre la dualité de la lumière: onde électromagnétique et particules en même temps...

Pourriez vous m'expliquer cela svp ou m'indiquer un site expliquant cela?

Merci
Mario Jelwan
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[LPFR]

Bonjour et bienvenu.
Je vous recopie deux explications que j'ai déjà donnée sur le forum.

Un photon c'est une des formes sous lesquelles on a à faire à la lumière ou à d'autres rayonnements électromagnétiques.
On le définit parfois comme "un quantum (petit bout) d'énergie électromagnétique".
En effet, la lumière (et les autres rayonnements électromagnétiques) peut se comporter de deux façons totalement différentes suivant les phénomènes.
Une des façons est le comportement ondulatoire: des ondes électromagnétiques, de la même nature que les ondes radio mais de fréquences beaucoup plus élevées. On utilise ce modèle pour expliquer des phénomènes d'interférence comme l'irisation des bulles de savon ou des couches de gaz-oil, la réflexion colorée sur des CD, le fonctionnement des lentilles, ou celui des antennes radio ou TV.
Mais d'autres phénomènes ne peuvent pas s'expliquer avec ce modèle ondulatoire. Notamment, l'effet photoélectrique: la lumière peut "arracher" des électrons à la matière, ou ioniser des atomes ou molécules dans un gaz. Pour ces phénomènes il faut utiliser le modèle corpusculaire: le photon. La lumière se comporte comme une particule. Avec ce modèle on ne peut pas expliquer les interférences ni d'autres comportements ondulatoires.

Ce qui est difficile à faire comprendre est que les deux modèles sont distincts: soit la lumière se comporte comme une particule, soit elle se comporte comme une onde. Mais n'acceptez pas des phrases comme "les ondes électromagnétiques sont constituées de photons" ou "un photon est porté par des ondes", "la longueur d'onde du photon", etc. Ce sont des conneries à éviter. Soit on parle de particules, soit on parle d'ondes. Mais on ne le mélange pas.

Pour être honnête, il y a des manips dans lesquelles la lumière se comporte à la fois comme une onde et comme une particule. Mais vous verrez ça bien plus tard. En réalité, la physique à un troisième modèle, qui remplace les deux précédents, et qui explique les deux comportements. Le problème est que ce modèle est tellement compliqué qu'on ne peut pas l'utiliser "dans la vie de tous les jours (d'un physicien)".

Pour compliquer (ou simplifier) les choses, toutes les particules ont aussi un comportement ondulatoire: les électrons, les atomes, et même les tables et les chaises. Mais, en réalité, on ne peut observer ce comportement ondulatoire que pour les particules très légères, (électrons, neutrons et atomes), et dans des expériences de laboratoire assez compliquées.

Pour ce type de phénomènes, la physique a trois modèles: le modèle ondulatoire (ondes électromagnétiques), le modèle corpusculaire (photons) et finalement LE modèle de l'électrodynamique quantique.
Pour les explications courantes, on choisit celui des deux premiers qui s'adapte le mieux. On n'explique pas la diffraction ni le fonctionnement d'une antenne ni les interférences avec des photons, pas plus que l'on n'explique l'effet photoélectrique avec des ondes électromagnétiques. Et quand on a choisi un des modèles on ne mentionne pas l'autre.
Mais ces deux modèles n'expliquent pas bien tous les phénomènes.
Il y a un autre modèle, celui de l'électrodynamique quantique qui explique tout et très correctement. Le seul inconvénient est qu'il est tellement merdique qu'il est totalement inutilisable dans la "vie de tous les jours" des physiciens.
Dans ce modèle il n'y a que des photons, mais pas les photons "grand public" d'Einstein, des "quanta de lumière". Mais ce sont des "choses" qui transportent quelque chose comme la racine carrée de la probabilité de trouver le photon et qui on une phase qui évolue comme celles des ondes électromagnétiques. Pour calculer la probabilité d'arrivée d'un photon à un endroit, on prend tous les chemins possibles (un nombre infini), on calcule la phase d'arrivée en tenant compte du chemin, on additionne tout cela, et la probabilité de trouver le photon sera le module du carré de la somme.
Problème supplémentaire, la somme en question a la mauvaise habitude de diverger et il faut utiliser des "astuces" pour éviter de se retrouver avec des infinis.
Ce modèle fonctionne aussi bien pour des photons que pour toutes les autres particules, pour lesquelles il est tout aussi merdique et inutilisable.

Vous ne pouvez pas expliquer la diffraction et les interférences avec des photons "grand public". Si vous voulez le faire, alors il faut vous mettre à l'électrodynamique quantique.
Pour vous dissuader, je vous conseille de lire le livre de divulgation grand publique de Feynman (un des pères de l'électrodynamique quantique): Lumière et matière. S'il ne vous plait pas, vous ne vous serez pas ruiné.
Au revoir.