Photons et champ Electro-Magnétique

[karnalta]

Bonjour,

Me re-voici avec quelques questions afin d'essayer d'éclairer un peu mieux mon esprit embrouillé

Mes questions sont un peu en vrac et je m'en excuse mais elles découlent toutes du même point de départ pour moi, à savoir, comment se propage la lumière.

Voici donc mes "certitudes" et interrogations ne trouvant pas de réponse clair sur Wiki :

- La lumière est une onde EM, ce n'est absolument pas de la matière.

- Un photon, ce n'est pas la matière non plus, c'est un quantum d'onde EM ?

- Est-ce qu'un photon peut signifier plusieurs ondes en même temps ? Exemple, pour la lumière visible, il y a une infinité de longueurs d'ondes représentants les couleurs du spectre visible, est-ce qu'un photon véhicule à chaque fois une seul onde ou est qu'un photon en transporte un nombre x (un paquet) ?

- Une onde EM est l'oscillation du champ magnétique et du champ électrique (il faut ici oublier les notions de représentation visuelle de la chose si j'ai bien compris).

- Une onde EM à besoin du champ magnétique pour se propager ?

- Si c'est le cas, c'est que ce champ magnétique existe dans absolument tout l'univers ? Sinon la lumière ne nous parviendrait pas ?

- Si il existe dans tout l'univers, cela voudrait dire que quand on parle du champ EM de la Terre, on parle en faite de la perturbation que la Terre génère dans le champ EM de l'univers ?

Merci d'avance aux courageux qui m'éclaireront
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[Deedee81]

Salut,

- La lumière est une onde EM, ce n'est absolument pas de la matière.

Hé bien ça dépend un peu comment on définit matière Mais de la manière dont on le définit habituellement (soit des atomes, soit des fermions), non, en effet, ce n'est pas de la matière.

- Un photon, ce n'est pas la matière non plus, c'est un quantum d'onde EM ?

En effet, c'est bien un quantum de champ électromagnétique. La particule associée est un boson (par opposition à "fermion" ci-dessus).

- Est-ce qu'un photon peut signifier plusieurs ondes en même temps ? Exemple, pour la lumière visible, il y a une infinité de longueurs d'ondes représentants les couleurs du spectre visible, est-ce qu'un photon véhicule à chaque fois une seul onde ou est qu'un photon en transporte un nombre x (un paquet) ?

Un photon étant un quantum de champ électromagnétique, il n'est pas abusif de dire qu'il correspond bien à une onde électromagnétique. Mais comme c'est un objet quantique, il peut être dans un état de superposition quantique et correspondre à "deux ondes", disons deux paquets d'onde centrés autour de fréquences différentes. Toutefois, je ne serais pas du tout surpris si je genre de situation avait déjà été testée en laboratoire, mais habituellement le photon correspond plutôt à un paquet d'ondes partiellement planes ou sphériques.

Dans le calcul théorique, on choisit généralement une base de Fock (l'espace des états possibles du photon, un espace vectoriel, donc avec une base) où un photon correspond à une fréquence précise, une polarisation précise et une direction précise (onde parfaitement monochromatique et plane). Mais c'est un idéal.

- Une onde EM est l'oscillation du champ magnétique et du champ électrique (il faut ici oublier les notions de représentation visuelle de la chose si j'ai bien compris).

Oui

- Une onde EM à besoin du champ magnétique pour se propager ?

Du champ électromagnétique.

- Si c'est le cas, c'est que ce champ magnétique existe dans absolument tout l'univers ? Sinon la lumière ne nous parviendrait pas ?

Hé bien, en principe oui, et d'ailleurs dans le vide on a aussi des fluctuations quantiques. Quel que soit l'endroit.
(bien qu'il y a encore quelques mystères à ce propos, si on s'en sert pour calculer la constante cosmologique, on trouve un résultat complètement absurde. C'est même une des rares prédiction théorique qui soit totalement à coté de la plaque. Il y a encore un "petit quelque chose" qui nous échappe).

- Si il existe dans tout l'univers, cela voudrait dire que quand on parle du champ EM de la Terre, on parle en faite de la perturbation que la Terre génère dans le champ EM de l'univers ?

On peut le dire comme ça.

Si tu as d'autres questions, comme pour les fermions et les bosons, n'hésite pas.

P.S. le lien entre le formalisme quantique et classique n'est pas toujours facile.

[karnalta]

Merci beaucoup pour ta réponse.

Il y a beaucoup d'abus de langage auquel nous sommes tellement habituer que parfois cela rend compliqué la compréhension de certaine chose... Pour le commun des mortels (moi y compris il y a 2 semaines haha) :

Photon = Particule de lumière = Ce qu'on voit

Je comprend maintenant que les photons sont une "quantification" des ondes EM, et que notre œil est un récepteur d'onde EM qui n'est sensible qu'à certaines longueurs (le spectre de lumière visible). En faite, si notre œil évoluait au fils des millénaires, on pourrait devenir sensible aux ondes radio et autres et donc avoir une "perception" complètement différente de ce qui nous entoure ? Une onde radio est également de la lumière en faite.

Pour ce qui est des fermions, bosons et autres, j'avoue ne pas trop comprendre mais c'est normal, j'en suis tout juste à me représenter un peu mieux la matière au niveau atomique, alors le sub-atomique, je reviendrai surement en temps voulu pour mes questions

C'est probablement pour ça que le champ électro-magnétique ne m'évoque rien si ce n'est quelque chose à prendre tel quel.. Il va falloir que je pousse un peu plus si je veux plus ou moins comprendre ce que c'est.

PS : Tout ceci n'a pas d'autre but que ma curiosité donc c'est pas catastrophique si je prend quelques raccourcis

[Deedee81]

Salut,

Je comprend maintenant que les photons sont une "quantification" des ondes EM, et que notre œil est un récepteur d'onde EM qui n'est sensible qu'à certaines longueurs (le spectre de lumière visible). En faite, si notre œil évoluait au fils des millénaires, on pourrait devenir sensible aux ondes radio et autres et donc avoir une "perception" complètement différente de ce qui nous entoure ? Une onde radio est également de la lumière en faite.

Je serais fort surpris d'une telle évolution (enfin, j'en serais surpris si j'étais encore vivant, genre hibernatus ).
Tout d'abord parce que il n'y a pas vraiment de pression de sélection pour une telle évolution.
Ensuite parce que les ondes radios n'influencent pas les processus photochimiques (l'énergie des photons est beaucoup trop faible), tout au plus légèrement les courants électriques.

Par contre, la perception des infrarouges et des UV, ça se rencontre dans la nature. Donc, on peut rêver que....

Pour ce qui est des fermions, bosons et autres, j'avoue ne pas trop comprendre mais c'est normal, j'en suis tout juste à me représenter un peu mieux la matière au niveau atomique, alors le sub-atomique, je reviendrai surement en temps voulu pour mes questions

Pour faire (très) simple, l'ensemble des particules se classe en deux grandes catégories, les fermions et les bosons, qui se distinguent par leurs comportements statistiques
(fermions = statistique de Fermi-Dirac, bosons = statistique de Bose-Einstein).
Les fermions "détestent" se retrouver dans le même état, c'est le principe d'exclusion de Pauli, ce qui permet la structure des atomes et la matière (les électrons se placent sur des orbitales différentes, conduisant aux propriétés chimiques et tout et tout).
Les bosons "aiment" se retrouver dans le même état, ils ont un comportement grégaire, d'où le phénomène d'émission stimulée et le laser (ou les supraconducteurs, les superfluides, les condensats de Bose-Einstein).

C'est probablement pour ça que le champ électro-magnétique ne m'évoque rien si ce n'est quelque chose à prendre tel quel.. Il va falloir que je pousse un peu plus si je veux plus ou moins comprendre ce que c'est.
PS : Tout ceci n'a pas d'autre but que ma curiosité donc c'est pas catastrophique si je prend quelques raccourcis

Je comprend très bien. Ceci dit, potasser en profondeur ces sujets (avec la théorie, les équations, les expériences), c'est extrêmement passionnant aussi (c'est bien pour cela que je l'ai fait alors que ce n'est même pas mon métier ).

[A voir en vidéo sur Futura]

[karnalta]

Pour faire (très) simple, l'ensemble des particules se classe en deux grandes catégories, les fermions et les bosons, qui se distinguent par leurs comportements statistiques
(fermions = statistique de Fermi-Dirac, bosons = statistique de Bose-Einstein).
Les fermions "détestent" se retrouver dans le même état, c'est le principe d'exclusion de Pauli, ce qui permet la structure des atomes et la matière (les électrons se placent sur des orbitales différentes, conduisant aux propriétés chimiques et tout et tout).
Les bosons "aiment" se retrouver dans le même état, ils ont un comportement grégaire, d'où le phénomène d'émission stimulée et le laser (ou les supraconducteurs, les superfluides, les condensats de Bose-Einstein).

De manière simple donc, un exemple facile à se représenter de fermion est l'électron ? Même si ce n'est peut-être pas à cela que çà ressemble réellement, je peux m'imagine les électrons tourner très vite autour du noyau de l'atome sur des trajectoires différentes dû à leur principe d'exclusion ?

Mais un exemple simple de boson alors ?

[Deedee81]

De manière simple donc, un exemple facile à se représenter de fermion est l'électron ?

Exact. Ainsi que le proton. Le neutron aussi. Ou les quarks.

L'atome d'hydrogène est un boson, de même que l'hélium 4 (d'où la superfluidité) mais l'hélium 3 est un fermion.

Même si ce n'est peut-être pas à cela que çà ressemble réellement, je peux m'imagine les électrons tourner très vite autour du noyau de l'atome sur des trajectoires différentes dû à leur principe d'exclusion ?

Effectivement, il est abusif de parler de trajectoire dans ce cas là. Les électrons peuvent avoir des trajectoires bien définies, mais pas autour d'un atome où ils sont totalement délocalisés (sauf dans certaines circonstances pour des électrons très éloignés de leur noyau : dans les atomes dit de Rydberg). C'est lié au principe d'indétermination de Heisenberg. Et pour cette raison on préfère le terme "orbitale" à "orbite", une orbitale décrivant la densité de probabilité de présence de l'électron (en fait c'est un peu plus, à travers la fonction d'ondes, il y a aussi une phase et un photon peut n'avoir aucun moment angulaire comme celui de l'hydrogène dans l'état de base, ou avoir un moment angulaire non négligeable pour certaines orbitales).

Et deux électrons peuvent se trouver très très très près, par hasard (c'est leur état qui est différent, par nécessairement leur position. Puisque comme toute particule quantique qui est aussi une onde, il est un peu partout en même temps).
Bien que cela soit très improbable car les électrons se repoussent (vu leur charge électrique identique), ce qui complique terriblement les calculs (une solution analytique et exacte de l'équation de Schrödinger n'existe même pas pour l'hélium ! Et il n'y a que deux électrons ! Mais, bon, on a des méthodes d'approximation et des ordinateurs )

Mais un exemple simple de boson alors ?

Toutes les particules médiatrices des interactions : photons, gluons, bosons W et Z, l'hypothétique graviton.
Les mésons (comme le méson pi qu'on retrouve dans les interactions nucléaires).

En fait, toute paire de fermion est un boson.
(mais pas l'inverse ).

[karnalta]

Exact. Ainsi que le proton. Le neutron aussi. Ou les quarks.

L'atome d'hydrogène est un boson, de même que l'hélium 4 (d'où la superfluidité) mais l'hélium 3 est un fermion.

Là, j'ai pas compris

Les fermions et les bosons sont deux groupes de particules sub-atomique ?

Comment un atome peut-être un boson puisqu'il est constitué notamment d'électrons, protons, neutron, ... (qui sont des fermions) ?

Dans ma conception, un atome n'est jamais ni l'un ni l'autre, ce sont les éléments qui le compose qui devrait être classé en bosons et fermions ? J'ai du loupé quelque chose.



Pour les exemples de bosons, là c'est clair (enfin, tout est relatif ).

[Nicophil]

Bonjour,

- Un photon, ce n'est pas la matière non plus, c'est un quantum d'onde EM ?

C'est un "quantum d'excitation du champ EM".

- Une onde EM a besoin du champ électromagnétique pour se propager ?

Oui. Et même pour exister tout simplement. Un photon aussi d'ailleurs.
Photons et ondes sont deux façons complémentaires de parler de l'excitation du champ EM.

- Si c'est le cas, c'est que le champ électromagnétique existe dans absolument tout l'univers ? Sinon la lumière ne nous parviendrait pas ?

CQFD ! C'est une sorte de texture de l'Univers (mais "immatérielle", hein).
Et en plus : n'importe où dans l'Univers, le champ comporte l'excitation thermique cosmique, comme un bruit de fond.

- Si il existe dans tout l'univers, cela voudrait dire que quand on parle du champ EM de la Terre, on parle en fait de la perturbation que la Terre génère dans le champ EM de l'univers ?

C'est comme un champ de blé : avant que le blé ne pousse, était-ce un champ de blé ? pas vraiment...
Mais le champ existait déjà, lui !

[Deedee81]

Salut,

Les fermions et les bosons sont deux groupes de particules sub-atomique ?

Oui, un peu comme s'il y avait des particules garçons et des particules filles

Chaque type de particule (ou d'assemblage de particules) est soit un fermion, soit un boson.

Pour faire très simple (encore bis ter ) : chaque particule ou assemblage de particules à un moment angulaire intrinsèque.
Ne pas s'effrayer de ce terme, l'équivalent classique du moment angulaire intrinsèque c'est le fait qu'une toupie tourne sur elle-même.
Dans le monde quantique on appelle cela le spin.
Il se fait que le spin peut prendre des valeurs demi-entière : 0, 1/2, 1, 3/2, etc....
(ça se démontre, c'est lié aux comportements des systèmes sous les transformations par rotation).
Plus précisément, pour une particule de spin 2, par exemple, la valeur du moment angulaire (de la rotation) peut prendre les valeurs -2, -1, 0, 1 ou 2 fois la constante de Planck divisé par 2pi.

Notons que pour un objet quantique, l'équivalent d'une toupie a un spin 1. Le spin 1/2 est une bizarrerie qu'on ne trouve que dans le monde quantique. Aucun objet macroscopique ne peut avoir de spin demi-entier (pourquoi, franchement je n'en sais rien). Les ondes gravitationnelles correspondent à un spin 2 (plus exactement, pour des ondes classiques, on parle d'hélicité, le mouvement en tire-bouchon résultant de rotation + déplacement).

Comme exemple :
le méson pi a un spin 0.
Neutron, proton, quarks, électrons ont un spin 1/2
Le photon a un spin 1 (le moment angulaire ne peut prendre que les valeurs -1 et +1, le 0 n'étant pas possible pour des raisons liées à la relativité. Ce sont les deux polarisations du photons).

Lorsque l'on combine plusieurs objets avec des rotations différentes, l'assemblage a une rotation résultante qui est la combinaison des rotations individuelles. Ca, c'est de la mécanique classique (assez chiée d'ailleurs. J'ai jamais aimé ces calculs de rotations ). Mais on a bien entendu l'équivalent en mécanique quantique. Si on a un assemblage de plusieurs particules, le spin de l'assemblage est une combinaison des spins des particules. Les règles ne sont pas simples (règles du triangle, coefficients de Clebsh-Gordan). Mais il y a UNE chose simple( tant mieux) :
Si on assemble deux particules de spin demi-entier, on a un assemblage de spin entier.

On démontre (c'est le théorème spin-statistique, si difficile à vulgariser. Même Feynman y avait rénoncé... de la part du plus grand pédagogue que j'ai jamais connu, c'est édifiant !) que :
- spin demi-entier = fermion
- spin entier = boson.

Oufffffff..... j'espère que ce sera clair. Ca fait beaucoup de choses, des choses ardues, que je n'ai fait que survoler.

Concernant des références techniques, le livre "Quantum Mechanics" de Lenoard L. Schiff est très bien : très détaillé, complet avec un gros chapitre sur le spin et un chapitre sur les particules identiques.
(mais on peut commencer par le livre de Feynman : hyper pédagogique, tellement agréable à lire qu'on le lit comme un roman. Il réussi même l'exploit de ne pas surcharger le livre de maths. Un vrai miracle en mécanique quantique)
Concernant le théorie spin-statistique, j'ai adoré le livre photons et atomes de Cohen Tannoudji, qui en plus d'être l'introduction la plus simple que j'aie lue sur l'électrodynamique quantique contient un démonstration de ce théorème (non complète et rigoureuse, mais trop d'abstraction pour commencer tue la compréhension , ça doit venir après ).

Il y a aussi wikipedia, bien sûr (voir spin, théorème spin-statistique, etc.)

[karnalta]

Oufffffff..... j'espère que ce sera clair. Ca fait beaucoup de choses, des choses ardues, que je n'ai fait que survoler.

Cela en fait effectivement beaucoup d'un coup mais les explications sont clairs Si je résume ma compréhension de la chose :

Si on prend ton exemple de l'hélium 4, les particules qui le compose sont des bosons et des fermions (électrons, protons, ...) en fonction de leur spin (entier = boson, demi-entier = fermion). Ensuite, cet assemblage de particules entre-elles donne un spin à l'atome et c'est ce spin qui nous permet de classer même les atomes en fermions ou bosons ?

Lorsque l'on parle d'un "boson" sans précision, on ne peut alors pas affirmer que l'ont parle d'une particule sub-atomique, les atomes sont aussi des bosons et des fermions ? Je suppose que dans le monde scientifique on choisi et détail bien ses termes mais dans les reportages TV tout est fortement vulgarisé, donc ça prête à confusion.

Les assemblages d'atomes (molécules) ont-ils également un spin ? Ou l'assemblage les stabilise ?

PS : Merci également à Nicophil pour sa réponse.

[Deedee81]

Si on prend ton exemple de l'hélium 4, les particules qui le compose sont des bosons et des fermions (électrons, protons, ...) en fonction de leur spin (entier = boson, demi-entier = fermion). Ensuite, cet assemblage de particules entre-elles donne un spin à l'atome et c'est ce spin qui nous permet de classer même les atomes en fermions ou bosons ?

C'est tout à fait ça.

Lorsque l'on parle d'un "boson" sans précision, on ne peut alors pas affirmer que l'ont parle d'une particule sub-atomique, les atomes sont aussi des bosons et des fermions ? Je suppose que dans le monde scientifique on choisi et détail bien ses termes mais dans les reportages TV tout est fortement vulgarisé, donc ça prête à confusion.

En effet, ce n'est pas nécessairement une particule élémentaire. Ceci dit, même quand on dit le proton est un fermion, le proton n'est pas une particule élémentaire !!! C'est une particule composite (composée de quarks) au même titre qu'un atome est composé de protons, neutrons et électrons. La seule (grosse) différence est qu'on ne peut pas avoir de quark isolé (phénomène dit du confinement et qui est dû aux propriétés particulières de l'interaction forte).

Par contre, oui, tu as raison, on a vite de la confusion. Ceci dit, même un scientifique peut avoir un discours confus. On n'est pas des machines

Les assemblages d'atomes (molécules) ont-ils également un spin ? Ou l'assemblage les stabilise ?

Oui, les molécules ont aussi un spin (et l'assemblage les stabilise, en diminuant l'énergie totale des atomes isolés). Mais on en parle rarement car une molécule prend facilement un grand nombre d'états (surtout si certaines liaison peuvent "plier". Mais même pour une molécule rigide, même à très basse température, on a facilement des rotations internes et des vibrations). Du fait de ce nombre élevé d'états, les effets statistiques comme le principe d'exclusion (deux fermions de même nature ne peuvent pas être dans le même état : même position, même état de spin, même énergie,...) n'ont pratiquement pas d'influence.

[karnalta]

J'ai juste une dernière question, plus en rapport avec mon sujet initial.

Je sais qu'il n'existe pas de réponse concrète puisque c'est inconnu mais c'est pour voir si j'ai bien compris le concept du champ EM.

Au commencement de la science, l'homme observait tout à l'aide de son œil et était donc limité à la lumière visible. Ensuite sont venu les appareils et techniques permettant d'observer l'entièreté des ondes EM (ou du moins on pense voir l'entièreté). Nous observons également les perturbations du champ EM pour comprendre certaines choses. Mais cela veut dire que toute notre connaissance de l'univers reste uniquement basée sur ce qui influe/perturbe/... le/les champ(s) électromagnétique(s) ? Nous ne sommes au fait de rien qui n'influencerait pas le champ EM ?

Nos visions de l'espace sont sur le spectre EM, nos microscopes X Y Z, nos accélérateurs de particules et autres, sans avoir comment ils marchent, je présume qu'ils restent lié au champ EM ?

Il pourrait donc avoir tout un tas d'autres "choses" dans l'univers qui nous sont totalement "invisible", qui nous passe complètement au travers (même au sens propre) si elles ne perturbes en rien le champ EM ? Il pourrait avoir un autre "terrain de jeu" à observer que celui de l'EM ?

[Deedee81]

Mais cela veut dire que toute notre connaissance de l'univers reste uniquement basée sur ce qui influe/perturbe/... le/les champ(s) électromagnétique(s) ? Nous ne sommes au fait de rien qui n'influencerait pas le champ EM ?

Non, non, il y a bien d'autres phénomènes qui ne passent pas par le champ EM : la gravitation, les interactions faibles (certains processus radioactifs) et fortes (force nucléaire), pour citer ainsi les quatre interactions fondamentales.

Ceci dit, les interactions EM sont omniprésentes simplement à cause de leur facilité (il est plus facile de transmettre une information avec un fil électrique ou une onde radio qu'en utilisant la gravité ) et tous nos sens sont basés sur des effets EM (les réactions chimiques et les interactions de contact, donc aussi la pression et le son, sont des manifestations de l'interaction EM. Bien que dans ce cas, il ne s'agit évidemment pas d'ondes électromagnétiques !)

En parlant des choses invisibles qui nous passent à travers, ça existe : les neutrinos. Le temps que tu lise ces lignes, plusieurs milliards de neutrinos te sont passé à travers et la majorité vont même traverser la Terre entière !!!!)
Ils n'interagissent que via l'interaction faible et ils sont très difficiles à détecter. Il faut pour cela d'énorme dispositifs (des cuves de liquides ultrapurs gigantesques, placées au fond de mines très profondes, entièrement tapissées de détecteurs).

Leur existence fut postulée par Pauli suite à des problèmes avec l'interaction bêta. Il a dit lui-même "j'ai fait quelque chose de terrible. J'ai postulé l'existence d'une particule qu'on ne peut détecter".
Il n'avait pas tout à fait raison : on a pu les détecter après la mise en service des premiers réacteurs nucléaires (produisant des flux extrêmement intenses de neutrinos, ce qui donne plus de chance d'en détecter un).

Maintenant, s'il existe des trucsmachinsbazards qui sont totalement, strictement et définitivement indétectables, pourquoi s'en préoccuper. Ils n'ont aucune influence sur quoi que ce soit (sinon ça fournirait un moyen de détecter leur présence. D'ailleurs, même avant d'être détecté directement, les neutrinos étaient détectables indirectement : avec les désintégrations bêta qui ont justement conduit Pauli à postuler leur existence. Et les ondes gravitationnelles, qui nous traversent elles-aussi sans qu'on s'en rende compte, n'ont pas encore pu être observée directement, mais on a pu sans l'ombre d'un doute prouver leur existence grâce au ralentissement des pulsars binaires qui en émettent beaucoup).

[karnalta]

Effectivement, je ne connaissais pas les 4 interactions élémentaires, enfin, en même temps j'ignore encore tellement de choses..

Mais ma remarque reste valable si on l'étant à ces 4 interactions, non ?

Je vois que la gravité arrive apparemment à la limite de ce qu'on comprend actuellement, le graviton est une hypothèse. Et on à émis cette hypothèse car on observe clairement l'effet de la gravité, on la calcule, .. mais on ne sait pas ce qui l'applique ? Je continue donc de penser que si quelque chose n'est pas observable et n'influence pas autre chose que l'on sait observer, il est complètement invisible pour nous. Mais cela ne veut pas dire qu'il n'a pas d'importance ? A vrai dire, la notion d'importance dans l'univers ne s'applique pas, elle s'applique pour notre science.

Enfin, j'admet qu'on est plus dans de la philosophie que de la science là.

[Deedee81]

Mais ma remarque reste valable si on l'étant à ces 4 interactions, non ?

Oui, tout à fait
(d'où ma petite réflexion dans le dernier paragraphe du message précédent)

Je vois que la gravité arrive apparemment à la limite de ce qu'on comprend actuellement, le graviton est une hypothèse.

C'est seulement la gravité quantique qui pose problème. On a plusieurs théories et on ne sait pas laquelle et la bonne parce que.... on ne sait pas faire les expériences permettant de les discriminer. Pour le moment du moins.

Mais la relativité générale marche très bien et est très explicative concernant les mécanismes de la gravité.