La masse du photon

[invite6a923382]

Salut à tous! Je veux savoir si le débat autour de la masse du photon est clos? Sinon, quelles sont les théories actuelles, les faits et les spéculations?
Merci de répondre,
Hachem
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[invite09c180f9]

Salut à tous! Je veux savoir si le débat autour de la masse du photon est clos? Sinon, quelles sont les théories actuelles, les faits et les spéculations?
Merci de répondre,
Hachem

Un photon n'a pas de masse ; plus exactement, il faudrait dire que sa masse au repos est nulle. Toute particule de masse au repos nulle se déplace dans le vide à la vitesse de la lumière en fait, en revanche, toute particule ayant une masse non nulle au repos ne peut atteindre cette vitesse.
La théorie quantique par exemple est un bon exemple montrant cela, si il s'averait que la masse du photon ne soit pas nulle, ça chamboulerait les lois quantiques !! Mais d'autres conséquences encore en découleraient, comme dans l'électrostatique par exemple et bien d'autres domaines...
Maintenant, il est vrai qu'aucune expérience à ce jour ne puisse apporter la preuve irréfutable que le photon ait une masse strictement nulle...

[invite6a923382]

Salut! D'abord, merci de ta réponse. J'ai pris connaissance de la notion de la masse au repos. Par contre, je me demande comment un objet peut exister sans avoir une masse. Je m'explique. Si je suis ce que tu viens de dire, un photon, avant d'atteindre la vitesse de la lumière, est au repos. Et lorsqu'il est au repos, sa masse est nulle. Mais si elle est nulle, c'est simplement du vide alors. Donc comment un quelconque "matériel" peut-il partir à la vitesse de la lumière alors que, initialement, il n'existe pas?

Hachem

[invite09c180f9]

Salut! D'abord, merci de ta réponse. J'ai pris connaissance de la notion de la masse au repos. Par contre, je me demande comment un objet peut exister sans avoir une masse. Je m'explique. Si je suis ce que tu viens de dire, un photon, avant d'atteindre la vitesse de la lumière, est au repos. Et lorsqu'il est au repos, sa masse est nulle. Mais si elle est nulle, c'est simplement du vide alors. Donc comment un quelconque "matériel" peut-il partir à la vitesse de la lumière alors que, initialement, il n'existe pas?

Hachem

Bon, on rentre dans les problèmes de vulgarisation et de vocabulaire. En fait, un photon ne peut pas avoir une vitesse nulle, il est impossible d'immobiliser un photon (d'après les fondements quantiques). La notion de masse au repos est en fait la notion de masse elle-même, en fait la masse est un invariant (relativiste). Si tu tiens compte de la célèbre équation E=mc² tu serais tenté de dire que plus un objet va vite plus sa masse augmente, mais ce n'est pas le cas. En fait il ne faut pas prendre E mais E0=gamma*mc², dont gamma=1/sqrt(1-v²/c&#178 (gamma est un facteur relativiste) ; donc en fait, ce n'est pas la masse qui varie mais c'est gamma...
Si tu veux fignoler un peu les choses, mais ça commence à être d'un autre niveau là, donc...,en fait la masse est la norme du quadrivecteur énergie-impulsion (cf : E² = m²c^4+p²c² ) ; et donc pour un photon elle est nulle...

[A voir en vidéo sur Futura]

[Ludwig]

Bonjour,

Salut à tous! Je veux savoir si le débat autour de la masse du photon est clos? Sinon, quelles sont les théories actuelles, les faits et les spéculations?
Merci de répondre,
Hachem

Louis de Broglie à donné une définition assez claire me semble t'il de la notion de "Quantas". A l'époque on utilisait ce terme.

Selon L. de Broglie, le photon serait une singularité de pulsation oméga, portée par une onde également de pulsation oméga.

Pour te donner une image, trace sur une bande de papier de longueur 280 mm par exemple au milieu de la bande dans le sens de la longueur, une ordonée x par exemple, puis trace sur ta bande une onde sinusoïdale de période T = 40 mm débutant sur ta bande en x = 0 et se terminant en x = 280 mm. Tu verras que tu peux tracer 7 périodes sur ta bande. Si tu joins le début de ta bande avec la fin de celle-ci et que tu t'imagines que la bande ainsi enroulée est transportée par une onde support, tu obtiens une représentation possible d'un photon. Mais à vrais dire on ne sait pas vraiment.

Toujours est'il que cette "singularité" transportée par une onde et baptisée photon n'as pas de masse.

Dans une publication annexe à la RR, " Annalen der Physik t.XVII, 1905 " Berne septembre 1905
A. Einstein montre qu'à la vitesse C, la masse d'un corps est totalement transformée en radiations.

On peut donc en déduire qu'il en est ainsi pour le photons.

[deep_turtle]

Non Ludwig, un photon ce n'est pas ça. Ce que De Broglie a fait c'est de définir une longueur d'onde (une propriété ondulatoire) pour des particules. Pour la lumière on connaissait depuis longtemps ce caractère ondulatoire. Ce que tu décris ici c'est une onde stationnaire dans un système avec des conditions aux limites périodiques.

La notion de photon est beaucoup plus subtile que ça. Il s'agit d'une notion profondément quantique, qu'il est assez difficile de décrire de façon simple et non technique. Disons que la lumière est une onde et que la description quantique de cette onde fait appel à des excitations élémentaires : l'onde peut être émise ou absorbée par paquets dont l'énergie est proportionnelle à la longueur d'onde.

Mais encore une fois, il ne faudrait pas croire que la lumière est faite de petites billes qu'on appellerait des photons : une onde lumineuse peut être dans des états bizarres (superposés) dans lesquels le nombre de photon n'est pas une quantité bien définie : une mesure peut indiquer qu'elle contient 615 photons, une autre 432, etc...

[Ludwig]

Non Ludwig, un photon ce n'est pas ça. Ce que De Broglie a fait c'est de définir une longueur d'onde (une propriété ondulatoire) pour des particules. Pour la lumière on connaissait depuis longtemps ce caractère ondulatoire. Ce que tu décris ici c'est une onde stationnaire dans un système avec des conditions aux limites périodiques.

La notion de photon est beaucoup plus subtile que ça. Il s'agit d'une notion profondément quantique, qu'il est assez difficile de décrire de façon simple et non technique. Disons que la lumière est une onde et que la description quantique de cette onde fait appel à des excitations élémentaires : l'onde peut être émise ou absorbée par paquets dont l'énergie est proportionnelle à la longueur d'onde.

Mais encore une fois, il ne faudrait pas croire que la lumière est faite de petites billes qu'on appellerait des photons : une onde lumineuse peut être dans des états bizarres (superposés) dans lesquels le nombre de photon n'est pas une quantité bien définie : une mesure peut indiquer qu'elle contient 615 photons, une autre 432, etc...

Bien sur, mais regarde le gamin à 16 ans, je ne sais pas dans quelle mesure il maitrise la MQ. Je crois que de temps à autre il faut essayer " Pédagogiquement" de donner des images c'est ce que j'ai fait et rien d'autre.

J'ai également dit que personne ne sait vraiment.

[Lévesque]

Selon L. de Broglie, le photon serait une singularité de pulsation oméga, portée par une onde également de pulsation oméga.

La description accepté aujourd'hui de ce qu'est un photon (celle qui rend le mieux compte de l'expérience) est celle donnée en théorie quantique des champs.

Ce dont tu parles correspond à la théorie de la double solution de de Broglie, théorie qui n'a jamais vraiment "levé" si je peux m'exprimer ainsi.

L'association onde-corpuscule me paraissait donc nécessairement devoir se faire sous la forme suivante: le corpuscule serait une sorte de singularité au sein d'un phénomène ondulatoire étendu dont il serait solidaire et le mouvement de cette singularité, bien que s'effectuant sans doute selon des lois dynamiques nouvelles, devait à mes yeux comporter, conformément aux images classiques, une trajectoire.
[...] Les idées que je viens de rappeler, je les avais adoptées dans tous mes premiers exposés de la Mécanique ondulatoire de 1924 à 1927. Elles devaient me conduire en 1927 à la théorie de la double solution... Mais, dans l'intervalle, en 1926, M. Schrödinger était parvenu dans d'admirables travaux à faire considérablement progresser le formalisme mathématique de la nouvelle mécanique ondulatoire...

L. de Broglie, Une tentative d'interprétation causale et non-linéaire de la mécanique ondulatoire, Gauthier-Villars, p.6 (1956)

... et on connait la suite. La MQ telle qu'on la connait (qui n'est absolument pas dans la philosophie de la double solution de de Broglie) se conclue aux alentours de 1927. Pour unifier la MQ et la relativité qui semblent contradictoires, la théorie des champs est développée, et là, on arrive à une description satisfaisante de ce qu'est un photon.

Mathématiquement, en théorie des champs quantique, un photon est étendu dans tout l'espace, et il correspond à un mode d'excitation du vide. Premier mode: 1 photon. Deuxième mode: deux photons. etc. En aucun temps la théorie de de Broglie ne peut rendre compte de la création de particules à partir de photons, ni de la création de photons par la désintégration de particules. Voilà une des oppositions les plus connus à la MQ précédant la Théorie des champs (et donc à la formulation de de Broglie, qui sous une autre forme a été développée par Bohm à partir de 1952 et qui en gros permet d'obtenir les mêmes résultats que la MQ ordinaire).

Cordialement,

Simon

[deep_turtle]

Bien sur, mais regarde le gamin à 16 ans, je ne sais pas dans quelle mesure il maitrise la MQ.

Je ne suis pas sûr non plus que les mots "singularité de pulsation oméga, portée par une onde également de pulsation oméga." soient vraiment plus clairs...

Le problème ce n'est pas qu'on ne "sait" pas ce qu'est un photon : la notion de photon est une définition donc on sait parfaitement ce que c'est (d'ailleurs le mot n'existait pas à l'époque des développements de De Broglie). Par contre c'est difficile d'en donner une image, comme beaucoup de concepts quantiques.

PS : voir ici pour l'origine du mot "photon".

[invite6a923382]

Bonne journée à tous. Vos différents opinions sont très intéressants. Toutefois, comme l'a mentionné Ludwig, je ne suis qu'un "gamin à 16 ans" . Merci d'en tenir compte! Lévesque a dit:
"Mathématiquement, en théorie des champs quantique, un photon est étendu dans tout l'espace, et il correspond à un mode d'excitation du vide."
C'est ce que je crois également, y a-t-il quelqu'un qui pourrait confirmer? Se pourrait-il (et là je vais probablement dire quelque chose qui est à l'opposé) que la masse du photon soit infiniment petite et donc, lorsqu'on essaie de la calculer avec différentes équations, on pense qu'elle est à l'origine nulle. Ainsi, puisque cette masse existe quand même, malgré qu'elle soit infiniment petite, la gravité des trous noirs et des planètes l'attirent. Se pourrait-il que ce soit une explication satisfaisante et sinon, où est-ce qu'elle se heurterait?

Merci encore de vos réponses,
Hachem

[Lévesque]

Se pourrait-il que la masse du photon soit infiniment petite

Certainement. Rien n'empêche en théorie le photon d'avoir une masse. Mais l'expérience montre que, s'il en a une, elle est si petite que c'est comme s'il n'y en avait pas. Disons, une conséquence théorique de l'ajout d'une masse infime aux photons est que la vitesse de ceux-ci dépendrait de leur énergie. On se tourne vers nos téléscopes pour voir si on ne pourrait pas mettre en évidence le fait que de la lumière de différentes énergies a différentes vitesses. Suffit de trouver un cataclisme stellaire qui émet de la lumière de différentes énergies. Plus cet "explosion" se produira loin, plus "la lumière qui va plus vite" précédera "la lumière qui va moins vite". J'aimerais bien donner des sources sur ce type d'expérience, mais je n'en ai pas. J'espere qu'on pourra me compléter. Mais l'expérience montre que si masse il y a, alors elle est trop petite pour être détecté par nos instruments à ce jour (c'est très très petit ça...).

Ainsi, puisque cette masse existe quand même, malgré qu'elle soit infiniment petite, la gravité des trous noirs et des planètes l'attirent. Se pourrait-il que ce soit une explication satisfaisante et sinon, où est-ce qu'elle se heurterait?

Il faut faire attention. Le mot masse est utilisé pour différent concepts dans différents champs de la physique. En gros, ce qui compte en gravitation, c'est l'énergie. Tout ce qui a de l'énergie attire tout ce qui a de l'énergie. La lumière n'a pas besoin d'avoir une masse pour subire la gravité, il suffit qu'elle possède de l'énergie.
Donc, tout va bien!

Salutations,

Simon

[invite6a923382]

Salutations. Alors, j'en conclus que le débat autour de la masse du photon n'est pas encore clos? J'ai une autre question. Qu'arrivera-t-il, théoriquement, si un corps atteint la vitesse de la lumière. Je parle du comportement de ce dernier dans le temps. L'espace-temps serait-il le plus au ralenti possible pour un observateur extérieur?

Cordialement,
Hachem

[Lévesque]

Salutations. Alors, j'en conclus que le débat autour de la masse du photon n'est pas encore clos?

Il n'y a pas de débat!

Pour l'autre question... je te propose d'aller voir la FAQ.

Salutations,

Simon

[BioBen]

, il est impossible d'immobiliser un photon (d'après les fondements quantiques).

Relativistes non ?

Bon suite au message de Levesque (très clair d'ailleurs) ca a maintenant pour origine la TQC, mais le coté relativité de la TQC non ?

Le problème ce n'est pas qu'on ne "sait" pas ce qu'est un photon : la notion de photon est une définition donc on sait parfaitement ce que c'est (d'ailleurs le mot n'existait pas à l'époque des développements de De Broglie). Par contre c'est difficile d'en donner une image, comme beaucoup de concepts quantiques.

En fait le gros problème originel n'est-il pas qu'on présente toujours le truc sous la forme "alors regarder là vous avez une bille de lumière, qu'on appelera photon. Et puis là vous voyez que c'est une onde, qu'on appelera onde electromagnétique. Et puis en fait photon et onde EM c'est la même chose vu différement".
Le truc que tu devrais pouvoir comprendre, même à 16 ans , et qui je trouve était très bine expliqué par deep dans le message #6 c'est que la rélaité est tout autre !
On a affaire à un objet purement quantique qui parfois se comporte comme une onde et parfois comme une particule, mais n'est ni l'un ni l'autre, comme l'indique aussi Levesque dans son poste #8.

Et puis sur sa masse tout tend à prouver qu'il n'en a pas, et que si il en a une elle est inferieure à genre 10^-52 kg (si mes souvenirs sont bons).

Je ne suis pas sûr non plus que les mots "singularité de pulsation oméga, portée par une onde également de pulsation oméga." soient vraiment plus clairs...

Et puis surtout que à mon sens le mot singularité a une connotation tout autre qui a très mal sa place ici...(singularité d'un TN ou du BB = endroit où nos théories buggent).
Et pusi en plus ca peut mettre dans l'esprit qu'on a des entités "séparables et uniques", ce qui est assez faux.

[Ludwig]

Mathématiquement, en théorie des champs quantique, un photon est étendu dans tout l'espace, et il correspond à un mode d'excitation du vide. Premier mode: 1 photon. Deuxième mode: deux photons. etc.

Cordialement,

Simon

Dans ce cas peut-on alors écrire pour k photons de identique

?????

[deep_turtle]

ça dépend, cette formule est censée représenter quoi ?

Pour l'énergie de k photons de pulsation , ce serait .

[Ludwig]

Pour l'énergie de k photons de pulsation , ce serait .

Bonjour,


Je suis tout à fait en "phase" avec ça .


Il reste à résoudre le point " mode d'exitation du vide" mis en avant par Simon.

Peut-on considérer un mode d'exitation du vide comme étant également un mode de vibration du vide ???

Cordiallement
Louis

[deep_turtle]

ça dépend de ce que tu mets sous ce mot. L'électrodynamique quantique répond très précisément à la question, les photons sont des excitations élémentaires d'un champ quantique. Maintenant si tu veux appeler ça des "modes de vibration" tu peux, mais j'ai l'impression que tu veux faire dire autre chose à cette expression... Il faudrait que tu dises quoi !

[mariposa]

Bonjour,


Il reste à résoudre le point " mode d'exitation du vide" mis en avant par Simon.

Peut-on considérer un mode d'exitation du vide comme étant également un mode de vibration du vide ???

Cordiallement
Louis

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Il y a rigoureusement une symétrie entre photons (pour la champ électromagnétique) et phonons pour le solide.
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Sous cet angle un mode de vibration du "vide" (notion de physique classique) devient après quantification des excitations élémentaires du "vide" (notion quantique).
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Le "vide" est un matériau (pas tout à fait comme un autre) et non pas rien du tout, d"où l'interet de mettre des guillemets à "vide"..
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[deep_turtle]

Salut,

On en avait déjà parlé, mais je ne suis pas d'accord avec cette vision, de considérer le vide comme un milieu. ça cache le fait qu'il est invariant par transformation de Lorentz, par exemple (ce qui n'est pas le cas d'un milieu matériel).

[Karibou Blanc]

Il y a rigoureusement une symétrie entre photons (pour la champ électromagnétique) et phonons pour le solide.

La procédure de quantification est la même, on est d'accord (et encore il faudrait que je m'en assure). Cependant je vois une différence de taille, les phonons ont besoin d'un support matériel, ce sont des ondes de vibrations mécanique. Les ondes EM sont auto-entretenues par le phénomène d'induction (l'énergie de l'onde est balancée périodiquement entre le champ électrique et le champ magnétique). Bref le vide n'est pas le support des ondes électromagnétique. Elles n'ont pas du tout besoin de support.

mode de vibration du "vide"

excitations élémentaires du "vide"

La, il faut qu'on m'explique. Pour moi un mode de vibration est associé à un champ, pas à un milieu. Et théorie quantique des champs, le vide est défini comme l'ETAT fondamental du champ dans lequel le nombre d'excitation est nul.
Je vois mal ce que signifie excitation élémentaire du vide dans ce cadre...

Faites vous allusion aux "fluctuations du vide quantique" ? qui sont les fluctuations d'un champ pris dans son état fondamental (par définition dans le vide)

je pense que la confusion provient de votre rigoureuse symétrie en phonon et photon qui ne semble pas en être une.

[mariposa]

Je réponds simultanément à Deep-turtle et Karibou Blanc.
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On doit être d'accord sur un ensemble de choses.
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Lorsque l'on s'intéresse aux mouvements des atomes d'un solide (invariant par translation) ou à la dynamique du champ électromagnétique on obtiend une forme quadratique relativement a des variables ad'hoc qui après quantification donne une structure de niveaux excités régulièrement espacès. Dans les 2 cas on parle d'excitations élémentaires. Phonons d'un coté, photons de l'autre.
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En particulier l'etat fondamental (à T=0) est doté du "mouvement" que l'on peut appeler fluctuation du vide.
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S'agissant du solide il n'y a rien de choquant à dire que les atomes bougent un petit peu même à T=0.
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A contrario s'agissant du champ électromagnétique, cela ne va pas de soi; Et pourtant ces fluctuations ont été mesurées (par exemple efffet Casimir). Donc quand il n'y a plus rien, c'est le vide classique, qui est malgré tout quelquechose muni de propriété observables, c'est pourquoi je parle du vide comme un "matériau". Mais un matériau pas comme les autres.
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quelques spéculations sur ce "matériau".
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S'agissant de ce "matériau", certains proposent de rattacher son énergie à la fameuse constante cosmologique d'Einstein.
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Sur un terrain plus subtil d'autres envisagent que ce "matériau se décomposent en "atomes" d'espaces et en "atomes" de temps.
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D'autres encore envisagent que le vide soit le résultat d'une transition de phase ou le temps et l'espace sont des paramètres d'ordre au sens des transitions de phase du second ordre a la Landau.
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Sur le plan scientifique, la nature du vide est une question ouverte, mais personne ne conteste la légitimité de la question.
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Pour finir ces stratégies vont au delà de la théorie des cordes qui construisent la théorie sur un espace donné; cad une géométrie de Minskowki. Dans 10 dimension spatiale les 6 autres sont repliées.

[Rincevent]

A contrario s'agissant du champ électromagnétique, cela ne va pas de soi

bah pourquoi? le champ électromagnétique "bouge un peu". Il fluctue. C'est un effet qui existe même en physique non quantique. Le champ électromagnétique est un objet physique et est lui-même le support des ondes électromagnétique (en ce sens je ne suis pas complètement d'accord avec KB quand il dit qu'il n'y a pas de support: je dirais pas de "support matériel")

S'agissant de ce "matériau", certains proposent de rattacher son énergie à la fameuse constante cosmologique d'Einstein.

là il s'agit d'un autre vide... ou en fait de plusieurs... quand les gens font ça, ils parlent du vide "physique" qui est la somme des vides de chacun des champs quantiques (EM mais aussi QCD, etc).

Sur un terrain plus subtil d'autres envisagent que ce "matériau se décomposent en "atomes" d'espaces et en "atomes" de temps.

là il s'agit encore d'un autre vide, qui est le vide gravitationnel, lequel est également partie intégrante du "vide physique". Idem pour la suite.

[inviteebd74612]

un photon a forcément une masse vu que E=MC² tous corps dégageant de l'énergie a une masse normalement

[Gwyddon]

Regarde la FAQ, on en a déjà parlé plein de fois