Photons en interférence

[invite14cee04b]

Bonjour,
je me posais une question à propos de l'interférence des photons émis par un paquet d'atomes.
Je vais vous exposer ce que je pense mais certes, il y a quelque chose qui cloche alors j'aimerias que vous m'aidiez s'il vous plait. C'est à propos de la dualité onde-corpuscule des photons)
Pour mieux vous expliquer mon problème, je vais vous l'illuster.
Prenons un paquet d'atomes auxquels ont apporte de l'énergie. Seulement, ces atomes absorbent cette énergie en effectuant une transition électronique et la délivrent sous la forme de photons lorsqu'ils se désexitent. De plus, la transition se fait entre deux états énergétiques sans inermédiaires. Pa conséquent, en négligeant toute variation dûe l'énergie thermique des atomes, ceux-ci émettent tous des photons d'une fréquence propre, un spectre de raie.
Dans mon exemple je ne considère pas non plus l'émission stimulée car nous ne sommes par dans un milieu d'amplification comme dans un laser. Ce ne sont que des émissions spontanées et aléatoires dans l'espace (le paquet d'atomes) et dans le temps.
Or de paquet contient un très grand nombre d'atomes et d'après la probabilité des grand nombres, la réparition des émissions se fait globalement équitablement dans le temps.
Si l'on introduit un obsevateur à proximité de ce paquet que vera t'il ? (c'est ça ma question)
Naturellement, on pense qu'il percevra un rayonnement homogène d'une seule fréquence.
Or, si les photons sont émis de manère aléatoire et comme il y a un grand nombre d'atomes, il y a forcément un autre photon qui sera en déphasage avec un autre et le tout s'annulera par interférence. (d'un point de vue ondulatoire).

Ma question est donc pourquoi ce n'est pas le cas ?
Merci d'avance pour les réposes que vous formulerez à mon problème !

Blender82
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[invite6dffde4c]

Bonjour.
Vous êtes en train de mélanger deux modèles: celui des particules, avec les photons, et celui des ondes. Vous dites qu'un atome émet un photon et vous transformez ce photon en onde pour qu'il interfère.
Il faut choisir: soit vous travaillez avec des photons et ils n'interfèrent pas, soit vous travaillez avec des ondes et il n'y a pas de "moment" d'émission et les phases ne sont pas corrélées.

Mais dans votre cas l'émission est un processus quantique et vous devez utiliser les photons. Alors oubliez les ondes. Il n'y a pas d'interférences. Seules les énergies et les puissances. S'ajoutent.
Onde ou particule: il faut choisir. Et si vous ne le pouvez pas, comme dans certaines manips. Alors il faut abandonner ces deux modèles et utiliser les photons de l'électrodynamique quantique qui on des comportements bien différent que celui des photons "grand public".
Au revoir.

[Deedee81]

Salut,

Ah ! Pour une fois on a un désaccord (léger il me semble).

EDIT Mais si j'ai dit une crosse bêtise; n'hésite pas à me le dire.

Je ne suis pas entièrement d'accord avec ce qui précède. Après tout, dans l'émission stimulée on a bien émission en phase de tous les photons, ce qui est une notion ondulatoire. Plus exactement, je ne considère pas le photon comme un corpuscule. En électrodynamique quantique, c'est un état de champ, présentant un caractère là la fois corpusculaire (quantification et interaction) et ondulatoire (longueur d'onde, etc..., en général un photon est un état superposé dans la base de Fock habituelle des états de fréquence/polarisation/direction pures et correspond à un paquet d'ondes).

Par contre il ne faut en effet pas du tout mélanger corpuscule et onde.

Concernant le cas non stimulée, moi j'aurais dit que les photons émis :
- vont dans tous les sens
- sont équivalent à des trains d'ondes de courtes durées (c'est lié à la largeur naturelle des raies)
- sont émis à des instants différents
- ont des fréquences différentes (effet Doppler, les atomes bougent toujours un peu)

Si on se rappelle aussi qu'une interférence destructrice n'est pas une annihilation (deux rayons lumineux qui se croisent, avec différence de phase et interférence destructrice au lieu de croisement, continuent imperturbablement leur chemin) (ce fait correspond à l'affirmation de LPFR sur le choix de la représentation : le nombre de photons est conservé. Ce qui correspond aussi à la conservation de l'énergie. C'est l'amplitude de probabilité de détection dans la zone de croisement qui baisse).

Alors, il n'y a aucune chance d'observer une extinction.

[invite14cee04b]

Merci à vous deux !
Je savais bien que le truc qui clochait était un peu dans la distinction... Mais bon, on peut toujours douter !
En même temps j'étais un peu partagé là dessus : lors d'un interférence destructrice il y a toujours la notion de corpuscule qui entre en vigueur, ils sont toujours là, mais ils ne sont pas observables.
En même temps, qu'est ce qui fait cela ? (ce n'est pas réellement explicité dans vos livrets sur les ondes LPFR, à moins que j'ai oublié ce passage là... et dans ce cas je m'en excuse et je relis)
Pourquoi le photon est-il toujours là mais pas observable ? Qu'en est-il de l'énergie qu'ils transportent ?

Blender82

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite6dffde4c]

Re.
@Blender82:
Dans l'interférence destructrice il n'y pas de destruction et encore moins de particules. Les mêmes ondes qui on donné une amplitude nulle ou faible à un endroit, vous donneront plus loin une amplitude maximale.
Et les particules n'interfèrent pas, à moins d'utiliser les photons de l'électrodynamique quantique. Mais ces photons sont "un peu" spéciales. Ils sont virtuels, il y en a une infinitude à la place d'un seul et prennent tous les chemins possibles. Un atome n'émet plus un photon, mais un nombre infini de photons virtuels.

Mon fascicule sur les ondes était fait pour faire faire un tour touristique rapide de la physique à des étudiants pas très bons ni en physique ni en maths. Un peu comme les touristes japonais qui visitent Paris en une journée. L'objet principal n'était pas l'étude des ondes et encore moins la mécanique quantique.

@Deedee81:
Vous avez le droit d'utiliser les photons de la l'électrodynamique quantique. C'est même le bon choix. Mais il faut les prendre avec les emmerdes qui vont avec: Ils sont virtuels et leur nombre est infini. Et pour connaitre le résultat il faut calculer le module de leur addition en tenant compte de la phase.
Et, surtout, ils ne sont pas des ondes, et encore moins EM, même si les règles d'addition sont similaires. (Avec l'emmerde de la divergence de la somme).
Si vous utilisez le modèle QED, alors finis les ondes EM et les photons "grand public" d'Einstein. Il faut le boire jusqu'à la lie.
Cordialement,

[coussin]

[…] Ils sont virtuels et leur nombre est infini […]

Rien à voir ici avec des photons virtuels…
Ajoutez à vos catégories les photons de l'Optique Quantique qui sont bien réels et qu'on fait interférer

[Nicophil]

Bonjour,

En même temps, qu'est ce qui fait cela ? Pourquoi le photon est-il toujours là mais plus observable ?

La densité de photons qui passent à cet endroit est quasi-nulle : la probabilité d'observer une interaction est quasi-nulle.
Même le photon "grand public" n'a pas de trajectoire.

[Deedee81]

Mais il faut les prendre avec les emmerdes qui vont avec

Grumpf, c'est vrai. J'avais sur-simplifié.

En définitive, il vaut quand même mieux séparer les points de vues proprement quand c'est possible. C'est plus simple.

Merci,

Coussin,

Oui, c'est vrai, les photons émis sont réels, non virtuels. Mon explication de l'absence d'interférence reste (je pense) valide. Je suppose que LPFR faisait référence au calcul de l'émission des photons.

Question : je ne suis pas le crac du calcul électrodynamique avec les états liés (j'ai une excuse : c'est dur ), est-ce qu'il y a aussi des divergences infrarouges comme dans le cas du rayonnement de freinage ?

[Deedee81]

La densité de photons qui passent à cet endroit est quasi-nulle : la probabilité d'observer une interaction est quasi-nulle.

D'observer les photons tout court (qu'il y ait ou pas interaction est une autre question, les collisions photons - photons sont rares mais peuvent s'observer d'ailleurs. Hum..... il y a ambiguïté sur le terme interaction, mais je l'emploie dans le sens que les particules s'altèrent, comme dans le cas d'une collision, alors que dans les interférences après croisement elles continuent comme si de rien n'était. On a un problème d'usage du terme analogue dans les "mesures sans interactions" où là aussi le mécanisme est lié aux interférences).

Pour insister sur ce point, c'est uniquement dans la zone d'interférence destructrice que la densité de probabilité est faible ou nulle. La probabilité totale, dans tout l'espace, est toujours égale à un (il est impossible d'avoir une annulation partout). Lorsqu'il y a interférence destructrice il y a simplement déplacement des zones où la probabilité d'observation des particules est élevée. Ce n'est pas propre aux photons d'ailleurs.

[invite14cee04b]

Dans l'interférence destructrice il n'y pas de destruction et encore moins de particules. Les mêmes ondes qui on donné une amplitude nulle ou faible à un endroit, vous donneront plus loin une amplitude maximale.

Ça, je suis complètement d'accord, sinon, ce serait pratique pour atteindre le 0K.
Par contre, il est clair qu'une onde ne s'annule pas quand elle en croise une autre, sinon, adieu la musique !
Par contre il a un truc qui m'a toujours étonné dans ce sens, c'est le fait que les photons soient présents mais qu'ils ne soient cependant pas observables !

Pour insister sur ce point, c'est uniquement dans la zone d'interférence destructrice que la densité de probabilité est faible ou nulle. La probabilité totale, dans tout l'espace, est toujours égale à un (il est impossible d'avoir une annulation partout). Lorsqu'il y a interférence destructrice il y a simplement déplacement des zones où la probabilité d'observation des particules est élevée. Ce n'est pas propre aux photons d'ailleurs.

En même temps, c'est logique ! Une proba totale est toujours égale à 1. En plus, si l'on ne considère que les photons on arrive forcément àuneproba de 1 !
Mais vous l'avez dit, ce n'est pas observable que pour les photons, vous vous référiez bien aux autres particules, non ? (si l'on se réfère à la loi de Broglie selon laquelle tous les corps possèdent des propriétés ondulatoires)
Merci en tout cas de vos participations !

Blender82

[Deedee81]

Salut,

c'est le fait que les photons soient présents mais qu'ils ne soient cependant pas observables !

Je ne comprend pas bien cette remarque. Pourrais-tu préciser ce que tu veux dire ?

Au cas où si c'est utile pour cette réflexion :
- Si ce n'est pas observable, comment parler de "ils sont présent" ???
- Attention de ne pas considérer le photon comme un petit corpuscule qui se propagerait d'un endroit à l'autre comme une petite bille. Sa position est intrinsèquement indéfinie (comme pour tout autre particule) et décrite par une fonction d'onde (amplitude de probabilité de présence, bien que cette notion soit quelque peut délicate dans le cas du photon vu l'absence d'opérateur position. Mais Landau ne se gêne pas pour le faire, alors je le suis ).
- Comme la probabilité totale de présence dans l'espace est 1, le photon a éventuellement une amplitude faire ou nulle dans une zone où il est non observable.... et non présent !.... mais il se trouve (ou plutôt on le détecte) ailleurs.

[albanxiii]

Bonjour,

Mais Landau ne se gêne pas pour le faire, alors je le suis ).

Le tome "électrodynamique quantique" du cours de Landau a été écrit après sa mort (mais pas celui qu'il remplace "théorie quantique relativiste", qui n'existe plus donc).
Mais j'ai vu un article passer récemment sur ArXiV avec les mots photon et wavefunction dans le titre.

@+

[Amanuensis]

Pour revenir à la question du début, même sans invoquer la physique quantique (qui va dans le même sens...), il suffit de modéliser l'onde émise par un atome comme sphérique (et non plane comme cela semble être le cas implicitement--la formule n'ayant pas été complétée) pour faire disparaître toute possibilité d'annulation sur tout l'espace, car les endroits d'émission sont distincts.

[invite14cee04b]

Excusez, mais je me suis mal exprimé.
J'entendais par là qu'il sont passés par un point de l'espace où il y a interférence (d'un point de vue particulaire). Par contre, d'un point de vue ondulatoire, il y a interférence et don les photons ne sont pas observables. Mais dites moi, la probabilité de présence, c'est bien la norme de la fonction d'onde, non ?

- Comme la probabilité totale de présence dans l'espace est 1, le photon a éventuellement une amplitude faire ou nulle dans une zone où il est non observable.... et non présent !.... mais il se trouve (ou plutôt on le détecte) ailleurs.

C'est exactement ce que j'ai voulu exprimer mais je ne me suis pas fait comprendre.
Mais pour en revenir à la probabilité de présence, cela voudrait dire qu'un photon qui est émis par une source et qui se propage dans une direction donnée de l'espace possède une probabilité de présence qui s'étalerai sur sa trajectoire ou est-elle tout simplement concentrée au niveau de la perturbation électromagnétique qui se propage (le photon en l'occurence) ?

Pour revenir à la question du début, même sans invoquer la physique quantique (qui va dans le même sens...), il suffit de modéliser l'onde émise par un atome comme sphérique (et non plane comme cela semble être le cas implicitement--la formule n'ayant pas été complétée) pour faire disparaître toute possibilité d'annulation sur tout l'espace, car les endroits d'émission sont distincts.

J'avais vu ça dans un traité de physique sur les ondes qui montrait que la visualisation en 2D avais ses limites. Mais en même temps, une construction (schématisation) du phénomène sur du papier permet quand même une petite apréhension du phénomène...

Blender82

[Nicophil]

Là où il y a interférence destructive, la probabilité de présence d'un photon est nulle.

De toute façon soit un photon n'a pas de trajectoire, soit elle est inobservable... ce qui revient au même. Mais...

qu'un photon qui est émis par une source et qui se propage dans une direction donnée de l'espace

... un photon se propage encore moins : c'est une onde qui se propage, comme un incendie ou un tsunami.

[invite14cee04b]

Dans quel conditions un photon n'a-t'il pas de trajectoire ?
Quand on dit probabilité de présence est nulle, c'est que l'on ne peut pas observer le photon. Mais est-ce qu'il a pu passer par l'endroit même où l'on ne le détecte pas sous la forme de corpuscule ? (étant donné que d'un point de vue ondulatoire, il n'est pas "présent)
Aussi, je me posais ces questions, est-ce que vous pouvez m'approter une réponse ?

Mais dites moi, la probabilité de présence, c'est bien la norme de la fonction d'onde, non ?
Mais pour en revenir à la probabilité de présence, cela voudrait dire qu'un photon qui est émis par une source et qui se propage dans une direction donnée de l'espace possède une probabilité de présence qui s'étalerai sur sa trajectoire ou est-elle tout simplement concentrée au niveau de la perturbation électromagnétique qui se propage (le photon en l'occurence) ?

Merci encore de votre participation à la discussion !

Blender82

[Deedee81]

Salut,

Dans quel conditions un photon n'a-t'il pas de trajectoire ?

(ce n'est pas propre au photon). Il suffit que le photon corresponde à une onde sphérique par exemple, ou même à une onde plane. Ce n'est pas rare (une onde plane reste quand même une approximation).

C'est le cas de toute particule quantique (état superposé correspondant à une infinité de trajectoire). Mais c'est particulièrement criant avec le photon.

Par exemple, lorsqu'un atome émet un photon après un changement d'état électronique, le photon émis n'a jamais de direction parfaitement définie, donc pas de trajectoire définie. Tout au plus peut on calculer quelle est la probabilité de le détecter dans telle ou telle direction.

On peut arriver à avoir une trajectoire définie. Dans le cas où la longueur d'onde du photon est petite par rapport aux dimensions caractéristiques, on peut avoir une onde "quasi plane" limité dans l'espace, ce qui donne un rayon lumineux (avec un diaphragme par exemple, à condition que le diaphragme soit nettement plus grand que la longueur d'onde) composé d'un grand nombre de photons ayant une trajectoire précise. C'est typiquement le cas d'un rayon laser (là c'est la longueur de la cavité qui joue ce rôle de "guide").

Avec des particules chargées (des électrons par exemple), avoir une trajectoire précise est encore plus facile car la particule interagit facilement avec son environnement, ce qui la localise (décohérence). Ainsi, lorsqu'on envoie une particule dans une chambre à brouillard, dès qu'elle entre en contacte avec le gaz, elle provoque de la condensation, et cette interaction fixe sa trajectoire (réduction de la fonction d'onde, qui peut s'interpréter via la décohérence). Après, à condition que l'interaction soit faible (sinon la particule va être absorbée ), on démontre que la probabilité de la voir suivre une trajectoire précise est proche de 100% (j'ai ça dans un de mes bouquins de MQ).

Quand on dit probabilité de présence est nulle, c'est que l'on ne peut pas observer le photon. Mais est-ce qu'il a pu passer par l'endroit même où l'on ne le détecte pas sous la forme de corpuscule ? (étant donné que d'un point de vue ondulatoire, il n'est pas "présent)

Comment le savoir si on ne peut pas l'observer ? Et étant donné que les théories sont pondues afin de décrire les résultats expérimentaux (donc ce qu'on observe) la théorie ne peut dire que "non" ! (une théorie qui prédit quelque chose de non vérifiable même en principe est considérée comme non scientifique)

[Amanuensis]

Dans quel conditions un photon n'a-t'il pas de trajectoire ?

Pour être encore plus lapidaire, la notion de photon est quantique, et en physique quantique (qui est un modèle) il n'y a pas de trajectoire.

L'erreur est très courante de confondre "à la limite" modèle quantique et modèle "classique" (corpusculaire), alors que certains aspects qualitatifs restent distincts. Si la mécanique classique reste un "modèle limite" qui peut faire sens pour des particules comme les électrons (à basse vitesse par exemple), ce n'est pas le cas pour les "photons", le concept de photon étant par essence et irrémédiablement à la fois quantique et relativiste. On ne devrait jamais s'imaginer un photon comme un corpuscule de la mécanique classique, car il n'y a pas de "passage à la limite" le permettant.