Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?
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Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?



  1. #1
    invite49ad136a

    Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?


    ------

    Bonsoir,

    Peut-on calculer la vitesse de la lumière, en connaissant la position initiale (x0, y0, z0, t0) d'un photon et sa position finale (x1, y1, z1, t1), ?
    En considérant qu'il se propage en ligne droite, il parcourt la distance d, est-ce-que d/(t1-t0)=c?
    Si oui, avec quelle précision?

    Merci d'avance

    -----

  2. #2
    albanxiii
    Modérateur

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Bonjour,

    Calculer, oui. Mesurer c'est autre chose.
    Not only is it not right, it's not even wrong!

  3. #3
    Archi3

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Citation Envoyé par misterbreizhman Voir le message
    Bonsoir,

    Peut-on calculer la vitesse de la lumière, en connaissant la position initiale (x0, y0, z0, t0) d'un photon et sa position finale (x1, y1, z1, t1), ?
    En considérant qu'il se propage en ligne droite, il parcourt la distance d, est-ce-que d/(t1-t0)=c?
    Si oui, avec quelle précision?

    Merci d'avance
    le problème est que ni "la position d'un photon", ni son "moment de production" ne sont des grandeurs bien définies théoriquement. Chaque méthode de production correspondra à une certaine incertitude sur ces quantités. Mais en prenant une distance de plus en plus grande, l'influence de ces incertitudes diminue, et donc le calcul est correct en "valeur limite".

  4. #4
    RomVi

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Bonjour

    Si on a un dispositif qui permet de produire des photons à une fréquence moyenne donnée, et d'un détecteur avec une bonne efficacité quantique, alors effectivement il est très facile de mesurer la vitesse de la lumière avec un seul photon, mais il faudra effectuer plusieurs mesures.
    Dernière modification par RomVi ; 22/03/2021 à 18h45.

  5. A voir en vidéo sur Futura
  6. #5
    coussin

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Je connais des expériences ayant mesuré la vitesse d'un photon unique dans une fibre optique (c'est c/n d'ailleurs, pas c comme certains pensent )

  7. #6
    invite49ad136a

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    La définition actuelle du mètre est donnée en fonction de la vitesse de la lumière :

    " la longueur du trajet parcouru par la lumière dans le vide pendant une durée d'un 299 792 458e de seconde".

    Comment peut-on mesurer un mètre avec l'incertitude sur l'émission du photon?

  8. #7
    coussin

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Pourquoi vous focalisez-vous sur le "photon unique" ?
    La définition du mètre suit de la mesure de la vitesse de la lumière mais celle-ci n'est pas mesurée avec des photons uniques.
    Je ne sais même pas comment se font les expériences qui mesurent la vitesse de la lumière... Probablement pas par une mesure de temps. Plutôt une mesure indirecte, interférentielle.
    Dernière modification par coussin ; 24/03/2021 à 15h39.

  9. #8
    coussin

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Après recherche, les expériences "mesurant" la vitesse de la lumière mesurent en fait la longueur d'onde et la fréquence d'un laser. Et font le produit des 2 quantités

  10. #9
    invite18230371

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Bonjour,
    Je me suis beaucoup creuser les méninges sur ce probleme sans jamais y comprendre vraiment. Je précise que je n'y connais pas grand chose.
    Mais, je crois que ce n'est pas possible car le photon est associé au quanta d'une onde plane monochromatique. C'est très théorique comme objet.
    Donc un vrai "photon" aurait une incertitude total sur sa position, impossible de savoir à quel instant ni ou il a été émis.

    Ensuite avec des quasi-photon on peut commencer à avoir des expériences (de pensée/réel) de mesure de vitesse.
    Mais c'est très compliqué...
    Par exemple:
    - Comment être sur que le "photon" détecté est celui qui a été émis ? (shoot noise)
    - Incertitude sur l'instant d'émission ?
    - ...

  11. #10
    Archi3

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Citation Envoyé par StrangQuark Voir le message
    Bonjour,
    Je me suis beaucoup creuser les méninges sur ce probleme sans jamais y comprendre vraiment. Je précise que je n'y connais pas grand chose.
    Mais, je crois que ce n'est pas possible car le photon est associé au quanta d'une onde plane monochromatique. C'est très théorique comme objet.
    Donc un vrai "photon" aurait une incertitude total sur sa position, impossible de savoir à quel instant ni ou il a été émis.

    Ensuite avec des quasi-photon on peut commencer à avoir des expériences (de pensée/réel) de mesure de vitesse.
    Mais c'est très compliqué...
    Par exemple:
    - Comment être sur que le "photon" détecté est celui qui a été émis ? (shoot noise)
    - Incertitude sur l'instant d'émission ?
    - ...
    tout à fait , ça obéit au principe d'incertitude sur l'énergie ∆E ∆t ≥ hbar (ou plus simplement 2 pi ∆f ∆t ≥ 1 ), qui dit que pour un photon strictement monochromatique, l'incertitude sur le moment d'émission est infinie - et réciproquement mieux il est défini en temps d'émission plus l'incertitude sur la fréquence est grande.

  12. #11
    RomVi

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    - Comment être sur que le "photon" détecté est celui qui a été émis ? (shoot noise)
    - Incertitude sur l'instant d'émission ?
    Il suffit d'avoir une source qui produit un nombre de photons donné par seconde, et de détourner ces photons vers le montage expérimental pendant une durée permettant d'en sélectionner un seul (en moyenne bien évidement). En répétant l'expérience plusieurs fois on arrive alors à mesurer la vitesse d'un seul photon.

  13. #12
    invite18230371

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    (en moyenne bien évidement).
    C'est tout le problème de la question il me semble !

  14. #13
    ThM55

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    StrangQuark écrit :
    le photon est associé au quanta d'une onde plane monochromatique
    .

    Pas forcément. Il me semble que cette phrase dénote une mécompréhension de certains aspects. En effet, il y a des états propres de l'opérateur nombre de photons, de valeur propre strictement égale à 1, mais qui correspondent à un paquet d'onde qui n'a rien de monochromatique. Il est exact que tout état propre de l'énergie pour le champ électromagnétique (des ondes monochromatiques) est aussi un état propre à N photons, mais la réciproque n'est pas vraie! Dans l'espace de Fock, on peut appliquer un opérateur de création à plusieurs modes d'énergies différentes sur l'état de vide. On obtient toujours un état propre de N à valeur propre 1 (état à un seul photon). Un photon unique peut donc être réalisé comme un paquet d'onde localisé dans l'espace et en réalité c'est vraiment le seul cas qu'on manipule en laboratoire. Il existe aussi des états à un photon qui correspondent à une onde sphérique.

    Les sources de photon unique qu'on manipule en optique quantique font par exemple appel à des atomes excités qui émettent un ou deux photons par émission spontanée. Il est évident que l'état excité a une durée de vie limitée (sinon il n'émettrait pas de photon!). Il y a donc une incertitude sur l'instant d'émission et il lui correspond une incertitude sur l'énergie (le spectre est une courbe en cloche centrée sur une énergie moyenne), donc sur l'impulsion et enfin sur la localisation. Mais celle-ci ne doit aucunement être infinie. C'est une erreur conceptuelle dont il faut se débarrasser pour comprendre les expériences.

    Dans ce cas on détecte un photon (quand il déclenche un phénomène d'avalanche dans un détecteur), mais on ne sait pas quand il a été émis. Mais il est possible d'utiliser des sources qui émettent deux photons consécutifs, avec passage de l'atome par un état intermédiaire avant de retourner au fondamental. Si l'émission est assez raréfiée on peut associer ainsi deux détections consécutives à une seul événement atomique avec une très faible probabilité d'erreur. Cela permet de mesurer la différence de temps de parcours entre deux photons. Tout cela est probabiliste et subit des fluctuations, en particulier à la détection. Donc pour mesurer la vitesse de la lumière avec de telles sources il faudra en effet passer par des moyennes sur de nombreux photons. Toutefois la théorie postule que la vitesse du photon est c. Cela vient des équations de Maxwell et en fait cela se traduit par la relation de dispersion E=pc, qui reste valable pour un photon.

  15. #14
    invite18230371

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Merci pour le commentaire, je me permet de développer ou je coince.
    Donc pour mesurer la vitesse de la lumière avec de telles sources il faudra en effet passer par des moyennes sur de nombreux photons. Toutefois la théorie postule que la vitesse du photon est c. Cela vient des équations de Maxwell et en fait cela se traduit par la relation de dispersion E=pc, qui reste valable pour un photon.
    Maxwell parle de la célérité des ondes, il ne traite pas des photons. Ok pour la mesure de la vitesse de la lumière, mais le photon ?
    Tu parles peut-être de la théorie de la relativité général qui stipule que les objets de masse nul se déplace à c ?

    Il me semble que la mécanique quantique détruit l'idée de trajectoire et donc de vitesse du quanta.

    Quel sens donnez vous à "vitesse" quand vous dites "la vitesse du photon est c" ?
    Dans la question du primo-posteur aussi il y a la notion de trajectoire
    En considérant qu'il se propage en ligne droite,
    Es-ce justifier ? Pourquoi le photon devrait ce déplaçait en ligne droite à la vitesse c ?

    Dis autrement : la question "Quelle est la vitesse du photon ?" a-t-elle seulement un sens précis en physique ?
    Que la détection soit statistiquement retardé de d/c par rapport à l'émission. Nous sommes bien d'accords.

  16. #15
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Salut,

    Citation Envoyé par StrangQuark Voir le message
    Il me semble que la mécanique quantique détruit l'idée de trajectoire et donc de vitesse du quanta.
    Une onde plane n'a pas de trajectoire au sens corpusculaire mais a bien une vitesse. Et un état photon dans la base d'état habituelle est un photon d'énergie précise et polarisation précise et donc une onde plane. Et de vitesse c en théorie quantique des champs. Et en ligne droite ((ou plutôt "direction constante", pas vraiment une ligne). Mais il faut quand même amender ça de deux manières :

    - Ce genre d'état simple est tout de même idéalisé, on peut avoir des états plus complexes où la vitesse de front d'onde (seule vraiment valide ici) peut être n'importe quoi
    - Les photons virtuels sont hors de la couche de masse et leur vitesse différente de c, c'est juste une conséquence du principe d'indétermination. Or pour un photon qui se propage dans un milieu matériel, en interagissant avec la matière, on n'a que ça : des états virtuels. Les seuls photons réels étant le photon initial (par exemple envoyé dans une fibre optique) et le photon mesuré à la sortie. Attention de ne pas trop connoter "réel et virtuel", noms terriblement mal choisis mais bon, faut faire avec le vocabulaire. Et le calcul montre justement qu'il y a un lien direct entre cette vitesse et l'indice de réfraction (bon, faut être courageux pour le calculer, perso j'ai surtout potassé l'interaction coulombienne, c'est déjà fort compliqué ainsi !!!).

    L'interaction avec la matière complique toujours tout. Il y a un calcul en MQ (pas en théorie des champs) que j'aime beaucoup de Le livre Quantum Mechanics de L.L. Schiff. Un électron "onde plante" arrive sur un milieu remplit d'atomes. L'électron considéré très énergétique ionise un atome. Quelles sont les probabilités des ionisations des autres atomes. On calcule alors que l'on a presque cent pour cent de probabilité d'ionisations le long d'une ligne droite, dans la direction de l'onde plane, et passant par le premier atome ionisé. Voilà qui montre que l'alternative "il y a des trajectoires v.s. les trajectoires n'ont pas de sens" est une mauvaise façon de voir les choses. C'est plus compliqué que ça.
    Dernière modification par Deedee81 ; 26/03/2021 à 07h21.
    "Il ne suffit pas d'être persécuté pour être Galilée, encore faut-il avoir raison." (Gould)

  17. #16
    pm42

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Citation Envoyé par misterbreizhman Voir le message
    La définition actuelle du mètre est donnée en fonction de la vitesse de la lumière :
    " la longueur du trajet parcouru par la lumière dans le vide pendant une durée d'un 299 792 458e de seconde".
    Comment peut-on mesurer un mètre avec l'incertitude sur l'émission du photon?
    J'ai quand même l'impression que le primo-posteur n'a pas eu de réponse simple à cette question.

    On ne sait rien sur lui mais il est possible que cette définition lui semble "pas vraiment utilisable en pratique" et qu'il imagine qu'on essaie de l'appliquer concrètement en mesurant la vitesse d'un photon comme pour un objet macroscopique, en relevant sa position à 2 instants différents (voir son 1er post) et ne réconcilie pas avec l'incertitude.

  18. #17
    invite18230371

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Exactement,
    Voir le distingo photon et quasi-photon que je faisais.
    Les seuls photons réels étant le photon initial (par exemple envoyé dans une fibre optique) et le photon mesuré à la sortie.
    Pour moi on a tout dis ici. Pourquoi aller plus loin ?

    Quand on parle de vitesse du photon, j'ai l'impression que c'est comme choisir le chemin le plus probable de l'intégrale des chemins.
    Que l'intégrale des chemins donne une probabilité en ligne droite OK et dire que le photon va en ligne droite à la vitesse c, il y un step (au moins étymologique)
    En fait ça revient à la vision de la bille de lumière.

    Dans l'expérience de young par exemple. Le photon est dans une superposition d'état. Un chemin sera plus long que l'autre. On définit 2 vitesse ? Quel distance 'd' allons nous considérer pour calculer sa vitesse à la façon d/c ?
    C'est pas plus simple d'arreter de vouloir attaché une vitesse au photon ?

    J'ai toujours pas trouver de définition la "vitesse du photon" ? Ca doit bien se trouver si ça existe quand même ?

  19. #18
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Citation Envoyé par pm42 Voir le message
    J'ai quand même l'impression que le primo-posteur n'a pas eu de réponse simple à cette question.
    Faut dire qu'il n'y a pas vraiment de réponse simple

    Citation Envoyé par StrangQuark Voir le message
    Pour moi on a tout dis ici. Pourquoi aller plus loin ?
    Ben non, on n'a pas tout dit. Le temps mesuré entre l'entrée et la sortie dépend de ce qui se passe entre les deux. Faut bien en parler, même s'il s'agit de modélisation théorique (bien fondée quand même).

    Citation Envoyé par StrangQuark Voir le message
    Quand on parle de vitesse du photon, j'ai l'impression que c'est comme choisir le chemin le plus probable de l'intégrale des chemins.
    Y a de ça

    Citation Envoyé par StrangQuark Voir le message
    Que l'intégrale des chemins donne une probabilité en ligne droite OK et dire que le photon va en ligne droite à la vitesse c, il y un step (au moins étymologique)
    En fait ça revient à la vision de la bille de lumière.
    Ta dernière phrase va quand même un step trop loin. On peut calculer les interférences de Young avec les intégrales de chemin (c'est d'ailleurs ce que fait Feynman dans son cours de mécanique quantique, tout au début, sans le dire). Mais de là à dire qu'on considère les particules comme des petites billes à cause de ça, c'est très abusif.

    Citation Envoyé par StrangQuark Voir le message
    C'est pas plus simple d'arreter de vouloir attaché une vitesse au photon ?
    Vu la complexité de mes réponses dans ces deux derniers messages, ta question est vraiment de bon aloi Réponse ci-dessous

    Citation Envoyé par StrangQuark Voir le message
    J'ai toujours pas trouver de définition la "vitesse du photon" ? Ca doit bien se trouver si ça existe quand même ?
    Oui, dans l'état de base habituel de l'espace de Fock des photons, son état est une polarisation fois exp(k.r - omega.t) et omega/|k| est la vitesse. (*)
    Pour une définition physique c'est évidemment plus simple, comme avec l'exemple de la fibre optique, c'est le temps entre les deux mesures précitées / longueur de la fibre.

    (*) Et quand c'est pas un état aussi simple on en revient à ta remarque. Vouloir attacher une vitesse au photon devient passablement ambigu. Pire encore, dans un état donné on peut avoir une vitesse de groupe et une vitesse de phase.

    On peut avoir des mesures de vitesse et des vitesses théoriques, mais le lien peut être complexe et parler de LA vitesse serait une erreur.
    Dernière modification par Deedee81 ; 26/03/2021 à 08h03.
    "Il ne suffit pas d'être persécuté pour être Galilée, encore faut-il avoir raison." (Gould)

  20. #19
    pm42

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Citation Envoyé par Deedee81 Voir le message
    Faut dire qu'il n'y a pas vraiment de réponse simple
    Oui mais le fil parle principalement d'autre chose.

  21. #20
    Archi3

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Citation Envoyé par StrangQuark Voir le message
    Merci pour le commentaire, je me permet de développer ou je coince.

    Maxwell parle de la célérité des ondes, il ne traite pas des photons. Ok pour la mesure de la vitesse de la lumière, mais le photon ?
    Tu parles peut-être de la théorie de la relativité général qui stipule que les objets de masse nul se déplace à c ?

    Il me semble que la mécanique quantique détruit l'idée de trajectoire et donc de vitesse du quanta.

    Quel sens donnez vous à "vitesse" quand vous dites "la vitesse du photon est c" ?
    Dans la question du primo-posteur aussi il y a la notion de trajectoire

    Es-ce justifier ? Pourquoi le photon devrait ce déplaçait en ligne droite à la vitesse c ?

    Dis autrement : la question "Quelle est la vitesse du photon ?" a-t-elle seulement un sens précis en physique ?
    Que la détection soit statistiquement retardé de d/c par rapport à l'émission. Nous sommes bien d'accords.
    oui ça a un sens précis, pas au sens de "localisation" du photon , mais au sens de propagation de la phase (ou de l'eikonale, ou de l'action ...), y compris quand tu vas l'utiliser pour les intégrales de chemin.

    Quant à la mesure "expérimentale" de la vitesse de la lumière, elle a perdu tout son interêt depuis l'adoption de la dernière définition du mètre : elle est exactement de 299 792 458 mètres par seconde, point final. Aucun besoin de la "mesurer" donc, puisque c'est comme ça que le mètre est défini (remarque que pour des applications astrophysiques, on aurait pu aussi bien définir comme unité de longueur la seconde-lumière, tiens je vais la baptiser "l'archi" cette unité, ce qui fait que la vitesse de la lumière est exactement de 1 archi par seconde. C'est très pratique ).

  22. #21
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Citation Envoyé par pm42 Voir le message
    Oui mais le fil parle principalement d'autre chose.
    Ah oui, on a tout compliqué en effet
    "Il ne suffit pas d'être persécuté pour être Galilée, encore faut-il avoir raison." (Gould)

  23. #22
    coussin

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Citation Envoyé par pm42 Voir le message
    J'ai quand même l'impression que le primo-posteur n'a pas eu de réponse simple à cette question.
    J'ai répondu (j'ai parfois l'impression d'être invisible... )
    Dans les expériences, on se fiche de l'incertitude sur l'instant d'émission car on ne mesure pas la vitesse de la lumière en mesurant des "temps de vol".
    On mesure la longueur d'onde, la fréquence et on fait le produit des 2.

  24. #23
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Citation Envoyé par coussin Voir le message
    (j'ai parfois l'impression d'être invisible... )
    C'est surtout qu'on airait besoin de misterbreizhman pour savoir si tout ça le satisfait
    "Il ne suffit pas d'être persécuté pour être Galilée, encore faut-il avoir raison." (Gould)

  25. #24
    pm42

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Citation Envoyé par Deedee81 Voir le message
    C'est surtout qu'on airait besoin de misterbreizhman pour savoir si tout ça le satisfait
    Tu n'es pas invisible, ma remarque portait sur l'ensemble du fil. Ceci dit, tu as effectivement posé la bonne question au primo-posteur qui est "pourquoi te focalise tu sur le photon unique" et il n'est pas revenu.

  26. #25
    ThM55

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    StrangQuark a écrit
    Maxwell parle de la célérité des ondes, il ne traite pas des photons. Ok pour la mesure de la vitesse de la lumière, mais le photon ?
    Tu parles peut-être de la théorie de la relativité général qui stipule que les objets de masse nul se déplace à c ?
    C'est déjà dans la relativité restreinte, pas besoin de la relativité générale.

    Mais les équations de Maxwell restent valables en théorie quantique, en tenant compte du fait qu'elles relient des opérateurs de champ en représentation de Heisenberg et non plus des nombres. Ces équations nous racontent l'histoire des ondes , mais aussi en même temps celle des photons. C'est de cela que je voulais parler en évoquant les équations de Maxwell. Les solutions se développent en sommes de modes, qui sont des ondes planes (les coefficients étant des opérateurs) et la vitesse de la lumière est dans ce cas un coefficient dans la relation de dispersion de cette onde, qui relie le vecteur d'onde et la fréquence, une relation qui est linéaire. Les solutions sont en tout point identiques à celle de l'électromagnétisme classique, avec aussi la polarisation, mais on parle d'opérateurs (chaque exponentielle décrivant la propagation de l'onde est multipliée par un opérateur d'annihilation ou de création). Désolé de ne pas avoir été assez explicite sur ce point, à ma décharge ce n'est malheureusement pas si facile à expliquer et j'ai tendance à passer par des raccourcis de pensée en omettant ce qui me paraît (à tort) trop évident ou bien connu.

    Le fait qu'il s'agisse à la fois d'opérateurs de création et d'annihilation et d'ondes progressives réalise dans le formalisme l'ancienne notion de "dualité onde-corpuscule" qu'Einstein avait devinée, contre l'avis de tous les autres et en particulier de celui de Planck, en analysant les fluctuations statistiques du champ électromagnétique en équilibre thermique dans une cavité, à partir du spectre de Planck: il avait obtenu une somme de deux termes, le premier correspondant à un champ classique et le second à des particules classiques. C'était en 1909 et je trouve particulièrement impressionnant de réaliser la clairvoyance extraordinaire de cet homme, plus de 15 ans avant la déduction de ces mêmes formules par Jordan dans le cadre de la première théorie quantique d'un champ électromagnétique libre. Les c...s qui accusent Einstein de plagiat dans de médiocres bouquins ne sont vraiment pas dignes qu'on les lise. Ses travaux en théorie quantique entre 1905 et 1924 ont profondément inspiré toute la génération qui l'a suivi. Il s'est malheureusement aigri par la suite quand il a senti sa créature lui échapper et se transformer dans un sens qui ne lui plaisait pas.

    Pour revenir à la question, comme je l'ai dit on postule dans le formalisme la même vitesse pour tous les photons simplement parce qu'on quantifie comme champ libre les équations de Maxwell. Mais pour le mesurer avec un seul photon, comment faire? Je sais qu'il existe maintenant (c'est très récent) des sources de photons uniques "à la demande", c'est-à-dire qu'on peut commander l'émission d'un photon quand on le veut. C'est très différent de l'émission spontanée incontrôlable dont j'ai parlé plus haut, et j'imagine que cela devrait pouvoir aider. J'ai appris cela avec intérêt il y a quelque temps, mais je ne suis pas un expert et j'ignore si c'est suffisant pour mesurer le temps de vol d'un photon unique.

    Cela dit la disponibilité en labo d'états à 1 ou 2 photons est une ressource précieuse pour des expériences d'une autre nature telles que la téléportation quantique, les corrélation de Bell, les expériences de choix différé, le calcul quantique, etc.

  27. #26
    0577

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Bonjour,

    ce qui suit est complémentaire à certains des messages ci-dessus (en particulier ceux de ThM55).

    On peut faire un calcul précis en électromagnétisme quantique qui peut être vu comme disant qu'"un photon se propage à vitesse c".

    On considère dans le vide deux atomes A et B, supposés fixes et séparés par une distance d. Pour simplifier, on suppose que chaque atome ne possède que deux niveaux d'énergie: un état fondamental et un état excité.

    On suppose qu'au temps t=0, l'atome A est dans son état excité, l'atome B est dans son état fondamental, et il n'y a pas de rayonnement électromagnétique externe.

    Alors, on peut montrer que:

    1) pour tout temps 0<t<d/c, l'atome B est dans son état fondamental.

    2) pour tout temps t>d/c, l'état de l'atome B est une superposition quantique a(t)|état fondamental>+b(t)|état excité> avec un coefficient b(t) non-nul.

    1) et 2) sont des énoncés mathématiquement précis qui ont un sens dans le formalisme quantique et qui ne font pas référence à des concepts non-définis tels que "l'instant d'émission du photon", "la trajectoire du photon",... De plus, 1) et 2) sont en principe expérimentalement testables: par répétitions d'expériences où l'on fait des mesures sur l'atome B à un temps t, on peut comparer les distributions statistiques des résultats avec les prédictions de 1) et 2) (la faisabilité pratique est un autre sujet...)

    Dans un langage semiclassique approximatif, on peut interpréter 1) comme disant que: "si on est sûr que le photon n'est pas encore émis par A à t=0, alors on est sûr que le photon ne sera pas absorbé par B avant le temps d/c", c'est-à-dire, "le photon se propage à vitesse inférieure ou égale à c". On peut interpréter 2) comme disant que: "pour tout temps t>d/c, aussi proche de d/c que désiré, il y a une probabilité non-nulle que l'atome B ait absorbé le photon, qui n'a pu être émis qu'à un temps>0", et donc "le photon se propage à vitesse supérieure ou égale à c". On peut donc voir 1)+2) comme étant une version précise de l'expression "le photon se propage à vitesse c".

    Le calcul conduisant à 1)+2) a été fait pour la première fois par Fermi en 1932 dans son article "Quantum theory of radiation": Fermi voulait vérifier que la nouvelle théorie quantique du champ électromagnétique était compatible avec l'électromagnétisme classique en ce qui concerne la propagation de la lumière dans le vide.
    Dernière modification par 0577 ; 27/03/2021 à 16h01.

  28. #27
    chaverondier

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Bonjour
    Citation Envoyé par 0577 Voir le message
    2) pour tout temps t>d/c, l'état de l'atome B est une superposition quantique a(t)|état fondamental>+b(t)|état excité> avec un coefficient b(t) non-nul.
    Si je formule de la façon suivante :

    quel que soit epsilon strictement positif, pour tout temps t > epsilon + d/c + delta_d/c (où delta_d désigne l'incertitude quantique sur la distance séparant les deux atomes),
    l'état de l'atome B est une superposition quantique a(t)|état fondamental>+b(t)|état excité> avec un coefficient b(t) non-nul

    ma reformulation est-elle à peu près juste ou, au contraire, epsilon possède une borne inférieure strictement positive ?

    Autrement dit, les phénomènes d'émission et d'absorption auraient-ils une durée minimale non nulle (s'ajoutant à la durée pour laquelle l'état du premier atome entre dans le cône de causalité relativiste du second) ?

    Ma question est suggérée par cette remarque, Quantum Leaps, Long Assumed to Be Instantaneous, Take Time ainsi que les travaux impliquant la notion délicate de durée en physique quantique, notamment :

  29. #28
    invite18230371

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Dans un langage semiclassique approximatif, [...] comme étant une version précise de l'expression "le photon se propage à vitesse c".
    Absolument,

    Donc Non, il est impossible de mesurer la vitesse de la lumière précisement avec 1 mesure à 1 photon.
    Dans un language précis, c'est bien la notion de vitesse de photon qui n'a pas de sens.

  30. #29
    lvdl2

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Rien que « Mesurer la vitesse de la lumière », QQS la méthode…
    On définit la vitesse par le rapport des Espaces aux Temps…Soit !
    Ainsi, pour mesurer une quelconque vitesse, il nous faut, à la fois, un étalon d’Espace et un étalon de Temps…Soit !

    Or, je pense que la « façon la + universelle » de se procurer ces étalons, fusionne, relie à jamais pour Nous les Espaces et les Temps dans le leur rapport …
    Ah bon ? Comment ça ?

    Proposons nous de construire notre repère de mesure R.
    Plaçons nous dans le cas « où aucune force ne semble s’exercer sur les masses neutres constituant notre environnement » (à ce stade, n’ayant aucun des étalons nécessaires, ne parlons donc pas de vitesse constante ou nulle…). Il nous faut alors:
    * Un point « 0 » : Nous même, ou bien toute masse «semblant immobile » par rapport (noté ‘%’ ) à Nous
    * Les étalons X et T :
    * Comment faire :
    * Installons un émetteur/récepteur de lumière au point « 0 ».
    * Le récepteur de lumière détecte la réception de lumière et nous en informe.
    * Munissons-nous d’un élément de matière dont on a constaté qu’il « semble réfléchir la lumière » : appelé « miroir ».
    * Plaçons le miroir « ailleurs qu’au point 0 » (s’agissant de matières, nous et le miroir, il nous semble en effet impossible que 2 objets différents « fait de matière » puissent être mis au même endroit).

    * Appelons « 1 » cet endroit, qui est bien entendu quelconque.

    On peut alors définir nos étalons ainsi :
    * L’étalon de d’Espace correspond à la distance entre « 0 » et « 1 » (distance totalement quelconque )
    * L’étalon de Temps correspond au « Temps » d’aller~retour de la lumière entre « 0 » et « 1 ». Appelons « 1 » cette unité de Temps
    * Le temps n’est qu’un compteur qui semble s’incrémenter malgré nous « partout tout le temps ». Mais c’est une notion complexe impliquant en plus la définition de la notion de Matière, acceptée ici sans autre procès
    (En fait Espace, Temps et Matière nous apparaissent en fait totalement indissociables).
    Ici, on s’apercevra déjà qu’ Espace et Temps sont indissociables et que pour arriver à nos fins, il nous faut en plus de la Matière, au moins les points « 0 » et « 1 », càd Nous et le Miroir…

    Ainsi, la vitesse de la lumière dans le repère construit est mesurable et évaluée à la valeur « 1 » Unité_X/Unité_T.

    N’est-ce pas une raison de dire, face à une telle méthode de construction d’un repère de mesure X~T, que « mesurer la vitesse de la lumière est une ineptie mentale » ?
    Car ici les unités X et T utilisent « ensemble », « fusionnées » , les propriétés « incroyables » de la lumière qu’Einstein érigea en Postulats !

    Et oui, les mesures d’Espaces et de Temps, sont à jamais fusionnés dans leur rapport qui n’est autre que ce qu’ l’on nomme « vitesse de la lumière » (ou bien l’inverse, en seconde par mètre). Jusqu’à Einstein, la physique laissait les Espaces et les Temps vivre leur propre vie, s’ignorant l’un l’autre : On construisait des horloges, et des mètres de façons totalement indépendantes. C’est pourtant totalement approximatif et non universel, dépendant des choix locaux pour la construction des étalons X et T !

    Pour aller plus, si on considère un autre repère R’ suivant les mêmes conditions de construction que le premier R, il possèdera ses propres étalons de X’ et T’, auxquels il donnera la valeur « 1 ». Rappelons que le choix de l’endroit « X » où le constructeur de repère « met son miroir » % à lui, est totalement quelconque. Mais de part le fait de la construction des étalons de mesures en utilisant la lumière elle-même, pour tout événement E, identifié E_R {x,y,z,t} dans R et E_R' {x',y',z',t'} dans R’, R écrira x²+y²+z²=1².t² et R’ x^'2+y^'2+z^'2=1².t'² (« c » égal « 1 »), rien d’autre que ce qui implique l'apparition de l'invariant relativiste.

    Certains penseront que ma proposition est débile, dans ce cas, merci de proposer une « façon plus universelle », « plus physique » pour construire, avant toute mesure X et T de quoi que ce soit, un repère permettant ces mesures d’Espace et de Temps.

  31. #30
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Est-il possible de déterminer la vitesse de la lumière à partir d'un photon unique?

    Salut,

    lvdl2, ton effort est louable mais depuis presque deux ans le photon est sûrement arrivé (et plusieurs de ceux à qui tu répons ne sont plus sur Futura).

    De plus ton explication correcte est cependant très mal rédigée et n'apporte quasiment rien (long message pour dire pas grand chose) et ne touche pas du tout le problème soulevé (qui est en réalité lié à la mécanique quantique, les mesures à "un photon" c'est pas top pour la métrologie).
    "Il ne suffit pas d'être persécuté pour être Galilée, encore faut-il avoir raison." (Gould)

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