Lumière et milieu transparent

[curiossss]

Bonjour

Une question :
Imaginons un rayon lumineux traversant un milieu transparent flottant dans l'espace (un diamant par exemple).
Quand la lumière traverse ce milieu transparent, sa vitesse change : il y a interaction entre la lumière et les électrons du milieu transparent. Comment s'effectue le ralentissement de la lumière ? Par absorption puis re-émission par les atomes rencontrés ? (j'avais lu quelque part que cette explication était erronée, mais une lecture ne vaut pas certitude...).

Merci.
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[un_copain]

salut

le coeur de ta question c'est comprendre l'indice de réfraction d'un matériau (si jamais tu veux creuser plus loin)

Quand la lumière (onde électro-magnétique) traverse un milieu, elle perturbe donc le champ EM.
Quand la lumière traverse un matériau, la perturbation du champ EM, due au passage de l'onde, va impacter les charges du matériau, qui vont osciller à la même fréquence que l'onde initiale, mais pas avec la même phase (elles vont vont bouger en "retard").
Donc l'oscillation de ces charges engendrent l'émission d'un rayonnement EM de la même fréquence, mais "retardé", déphasé.
Ce retard de phase va dépendre de la susceptibilité électrique de ton matériau (propriété intrinsèque - en gros comment les charges de ton matériau sont plus ou moins facilement impactées par un champ E extérieur). Donc différents matériaux vont avoir différents déphasages.
Enfin, l'onde EM totale qui va traverser ton matériau va être la somme de toutes les contributions : l'onde initiale, ainsi que toutes les ondes émises par les charges qui oscillent.
Il y a donc des phénomènes d'interférences entre toutes ces ondes, dont la résultante a une fréquence identique à l'onde initiale, mais une longueur d'onde plus courte (dans le matériau), la vitesse de phase est ralentie.

[curiossss]

Je vois (et merci pour ta réponse !). Mais dans ta réponse il est question que l'onde initiale subsiste en tant que contribution à l'onde finale.
Je ne comprends pas pourquoi alors cette onde initiale ne garde pas sa vitesse initiale. Elle devrait arriver au bout de sa traversée du milieu transparent, affadie certes (le reste de son énergie ayant servi à générer les autres contributions), mais sans prendre de retard...?
Je suppose que cette onde initiale garde effectivement sa vitesse initiale, mais ce qu'on mesure c'est la vitesse du transport d'énergie, et là effectivement il y a un retard (mais ce n'est plus l'onde initiale, plutôt une re émission)... c'est bien cela ?

[un_copain]

là il faut différencier vitesse de propagation et vitesse de phase.

il me semble que strictement parlant, la lumière se propage toujours à la même vitesse c, même à travers un matériau transparent.
par contre, on peut observer un retard de phase (donc une vitesse de phase ralentie) lorsque la lumière traverse un matériau transparent.

c'est pas évident à visualiser... je peux essayer de faire des schémas si nécessaire

[A voir en vidéo sur Futura]

[stefjm]

il me semble que strictement parlant, la lumière se propage toujours à la même vitesse c, même à travers un matériau transparent.

De quoi parle-t-on?
Dans le vide intérieur au matériau : vitesse c.
Sinon, vu de loin, la vitesse est c/n.

[un_copain]

c'est toute la question

et je pense que la confusion vient du terme "lumière", on devrait ici séparer la vitesse d'un photon et la vitesse d'un faisceau lumineux.
c'est pourquoi je préfère parler de vitesse de phase, plus que de vitesse de propagation pour aborder ce sujet...

[mach3]

Il y a ça sinon, en anglais : https://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_31.html

m@ch3

[curiossss]

De quoi parle-t-on?
Dans le vide intérieur au matériau : vitesse c.
Sinon, vu de loin, la vitesse est c/n.

Les photons traversant un matériau transparent ne sont pas des grains passant dans les interstices entre les atomes. Parler de vide intérieur au matériau me parait une image dépassée. L'espace tout entier délimité par le volume du matériau n'est plus du vide.

[stefjm]

Entre les noyaux, c'est plutôt vide non?

[mach3]

Entre les noyaux, c'est plutôt vide non?

Ben non au contraire, pour la lumière c'est plein. Entre les noyaux il y a de la densité électronique, et ce sont justement les électrons qui interagissent le plus avec la lumière. Les noyaux sont tellement lourds qu'on peut les négliger à moins qu'on s'intéresse à la réfraction des rayons gamma (mais là la réfraction n'est plus vraiment le sujet vu que les gammas font plutôt du chamboule tout...).

m@ch3

[stefjm]

Ok, donc plein d'électrons qui participent à l'indice du matériau.

[curiossss]

Il y a ça sinon, en anglais : https://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_31.html

m@ch3

Ce lien est très intéressant.

La diffraction y est expliquée, je résume, comme la superposition de l'onde initiale et de l'onde résultante du déplacement des électrons du milieu transparent qui génèrent une onde secondaire.

Je serais curieux de savoir si quelqu'un a tenté l'expérience d'envoyer les photons un à un à travers une plaque transparente (à leur longueur d'onde) comme il a été fait pour l'expérience des fentes de Young.

Car je pense qu'on est face au même problème : l'onde secondaire a un certain retard temporel par rapport à l'onde primaire, alors les premiers photons de l'onde primaire ne seront jamais rattrapés par l'onde secondaire.
Si en envoyant les photons un à un on constate qu'ils sont quand même diffractés alors on est dans le même cas de figure : un photon unique se comportant comme une onde.

Je pense que le résultat sera que dans tous les cas les photons sont diffractés, mais une validation expérimentale ne se refuse pas...
Une telle expérience aurait déjà été tentée ?

[un_copain]

tout à fait, et on retrouve les mêmes résultats qu'avec les fentes de Young

https://physics.aps.org/articles/v4/s88
l'article en question : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.243602

[curiossss]

Merci. Je vais de ce pas lire ces liens

[curiossss]

l'article en question : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.243602

Dommage... Encore une fois pour accéder à certains articles il faut être membre d'une institution.

En regardant la figure 3 graphique (b) on constate tout de même que la ligne rouge (théorique) est légèrement au-dessus de la ligne bleue (mesures) sur "le front de vague" du photon mais pas à l'arrière. Comme je ne peux pas lire l'article difficile d'interpréter. On dirait que le photon est en avance temporelle par rapport à la théorie... (on obtient la ligne bleue en décalant dans le temps (vers la gauche) la ligne rouge sur l'avant de l'onde).

[stefjm]

Dommage... Encore une fois pour accéder à certains articles il faut être membre d'une institution.

sci-hub est ton ami...
https://fr.wikipedia.org/wiki/Sci-Hub
https://sci-hub.hkvisa.net/

[curiossss]

Merci.

Mais le site est bloqué. Une histoire de pognon comme d'habitude, dès qu'il y a du fric à se faire les requins arrivent.

[un_copain]

C'est un histoire de légalité, les journaux qui vendent ces articles bataillent pas mal contre les sites qui permettent de partager tout ça gratuitement.

Heureusement, internet c'est plein de ressources.

Donc si tu as un VPN, tu peux essayer de changer de pays pour débloquer le lien sci-hub de stefjm, sinon, tu peux en essayer d'autres
https://www.sci-hub.pub/
https://sci-hub.41610.org/

[stefjm]

Merci.

Mais le site est bloqué. Une histoire de pognon comme d'habitude, dès qu'il y a du fric à se faire les requins arrivent.

Ne jamais utiliser les DNS menteur de son FAI : Ces couillons utilisent le DNS pour faire appliquer la loi.

[curiossss]

C'est un histoire de légalité, les journaux qui vendent ces articles bataillent pas mal contre les sites qui permettent de partager tout ça gratuitement.

Dans Wiki : https://fr.wikipedia.org/wiki/Sci-Hub

Analyse économique

Sci-Hub peut être comparé à un marché noir qui fournirait des articles scientifiques à des consommateurs incapables de se les procurer par le moyen légal, ou tentés par un accès plus facile à ces publications. Son existence est la conséquence directe du monopole exercé par les éditeurs scientifiques32 et du modèle économique qui en découle.

Le coût souvent prohibitif de l'accès à la littérature scientifique est vivement critiqué, jugé disproportionné en regard d'un coût marginal de production très faible ou, plus probablement, nul, pour les éditeurs32. Les auteurs ne sont pas rémunérés — voire, ce sont eux qui payent pour être publiés — et la relecture par les pairs est bénévole33. Les profits réalisés par les éditeurs scientifiques en situation de monopole sont de l'ordre de 25 % à 35 %. Enfin, pour organiser la pénurie des documents informatisés, leur accès par les interfaces informatiques légales a été rendu inutilement complexe32.

Se poser en intermédiaire c'est la poule aux oeufs d'or. Avec monopole les oeufs sont en platine. On connait la musique.
Et bravo à la justice qui a trouvé le temps de traiter ce dossier malgré les centaines d'affaires importantes en attente : presque toutes les routes vers l'information bloquées. Comme quoi quand on dit que la justice ne fait pas son boulot...

Sinon, j'ai réussi à trouver le pdf malgré les multiples blocages rencontrés en route :
L'article n'explique pas le décalage que j'ai signalé.
Un peu comme si le photon anticipait un peu la réponse du milieu...?

[un_copain]

Ah, peut être que je t'ai mal aiguillé alors ? (Je n'ai pas lu la publi moi même, juste relayé les sources du 1er article, mea culpa)

Ça m'étonne car j'ai trouvé un autre article qui cite la même publi et qui raconte : "The main wave packet of a single photon travels no faster than c in any medium, and can be delayed up to 500 ns in a slow light medium where the group velocity is slower than c. In the slow light (with a group velocity slower than c) case, the central part of the main wave packet follows the group velocity. When the medium density increases (with more atoms), the slow group velocity decreases."
https://phys.org/news/2011-06-photons.html

Et c'est la mesure exp de ce retard que tu voulais voir non ?

J'y jetterai un coup d'oeil plus en détail dans l'après midi.


Pour ce qui est des journaux, c'est un débat sans fin, en attendant, on reste quand même dépendant d'une forme de hiérarchisation des publications, donc des journaux et de leurs facteurs d'impact...

[curiossss]

Je me suis demandé ce que la courbe rouge (dans la figure que j'ai citée) dite théorique, intègre comme comportement théorique du photon. Je dois moi aussi relire plus attentivement l'article.

En tous cas le but de ces graphiques est de montrer la concordance entre la théorie (ligne rouge) et les mesures (ligne bleue).
L'article dit même "The theory agrees well with experiment." Mais moi j'y vois ce décalage...

[un_copain]

En soit oui, l'article apporte une mesure exp sur la théorie. Ce qui à priori, confirme justement le fait qu'un photon unique se propage en tant qu'onde, et donc qu'on observe les effets d'interférences (ici le retard), comme pour les fentes de Young.

Pour les graphs, je trouves la relation entre les courbes sacrément solides quand même...

Bref j'ai fait une rapide recherche pour trouver d'autres sources et d'après l'abstract de celle-ci (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.2421), ça devrait concerner plus directement ce qui t'intéresse.

[curiossss]

J'avais commenté le pdf que j'avais chargé précédemment mais je laisse tomber, je viens de réussir (en direct ça coince comme d'habitude) à trouver l'article que tu proposes "Dispersion Cancellation in a Measurement of the Single-Photon Propagation Velocity in Glass" et à première vue il semble mieux répondre à mon questionnement. Je le lirai dès que j'ai le temps. Merci.

[curiossss]

Ok. Article très clair
On a donc la confirmation qu'un simple photon est tout aussi ralenti qu'un rayon lumineux composé de beaucoup de photons.

Ce qui peut paraitre étonnant.
Dans un rayon lumineux composé d'une myriade de photons ce ne sont pas que les photons à la traine qui subissent l'onde secondaire générée par le passage des premiers : absolument tous les photons sont ralentis.
L'explication qu'ils seraient ralentis par la superposition avec l'onde secondaire (voir les Lectures de Feynman https://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_31.html) exige que l'onde secondaire rattrape l'onde primaire et soit donc un peu plus rapide... que la lumière.

C'est DeBroglie qui aurait été content, lui qui proposait sa fameuse 'onde pilote' (à ne pas confondre avec les poissons-pilote) !

[ArchoZaure]

Bonjour.

Ce qui peut paraitre étonnant.
Dans un rayon lumineux composé d'une myriade de photons ce ne sont pas que les photons à la traine qui subissent l'onde secondaire générée par le passage des premiers : absolument tous les photons sont ralentis.

J'avais déjà réfléchi à la question avec mes petits moyens.
Et en fait on pourrait se dire qu'un seul photon pourrait tout à fait produire l'onde qui "va" le freiner lui-même.
Pour comprendre la chose il faudrait se placer à l'échelle quantique et imaginer qu'on a affaire à une superposition d'états et non pas à une succession d'évènements dans le temps.
La logique n'est donc pas celle qu'on a l'habitude d'employer dans le monde macroscopique.
Donc le scénario "le premier photon passe, fait produire une onde par les électrons et c'est les photons suivants qui vont être ralentis" n'est plus valable à cette échelle.
On aurait plutôt un photon qui produirait l'onde qui le freine de manière conjointe, comme un genre d'équilibre (d'où le terme de "superposition" que j’emploie j'espère pas trop à tord) et non pas qui "va" le freiner; c'est immédiat.
Bon après je dis ça mais j'aimerais aussi avoir des avis de gens plus qualifiés que moi pour mieux comprendre.

C'est DeBroglie qui aurait été content, lui qui proposait sa fameuse 'onde pilote' (à ne pas confondre avec les poissons-pilote) !

Là je pense que vous extrapolez un peut trop rapidement.

[un_copain]

L'explication qu'ils seraient ralentis par la superposition avec l'onde secondaire exige que l'onde secondaire rattrape l'onde primaire et soit donc un peu plus rapide... que la lumière.

Mmh, je ne suis pas sûr que ça ait du sens de considérer les ondes séparément, justement. Distinguer l'initiale des autres. C'est bien de se représenter ça pour comprendre le résultat, et donc le ralentissement de la vitesse de phase... de l'onde totale.
Car au final, nous ne distinguons, ni l'onde initiale, ni la multitude des ondes engendrées par les charges du milieu, mais uniquement la résultante (qui devient alors l'onde initiale pour les charges à venir, etc).

Je trouve d'ailleurs que Feynman le formule bien ici :
"Now this is, in the exact case, pretty complicated, because although we have said that all the other moving charges are driven by the source field, that is not quite true. If we think of a particular charge, it feels not only the source, but like anything else in the world, it feels all of the charges that are moving. It feels, in particular, the charges that are moving somewhere else in the glass. So the total field which is acting on a particular charge is a combination of the fields from the other charges, whose motions depend on what this particular charge is doing!"

[Deedee81]

Salut,

Un petit enfoncement de clou.

Mmh, je ne suis pas sûr que ça ait du sens de considérer les ondes séparément, justement.

Dans le cas où on raisonne sur un photon pour comprendre comment/pourquoi il aurait telle vitesse, c'est même très important de ne pas pas considérer les ondes séparément. On n'a que le résultat final, l'onde totale, le photon.

J'avais lu il y a déjà quelques années le calcul/expérience d'un électron (non un photon) traversant une barrière tunnel. Là aussi on avait une vitesse ultraluminique dans la barrière. Mais là aussi c'était une vitesse de phase. Faudrait retrouver ça, car les calculs sont même plus simple (bon, ça reste une gageure quand on n'est pas dans le monochromatique, mais c'est quand même plus simple que des interactions de photons avec des atomes)

[curiossss]

Je trouve d'ailleurs que Feynman le formule bien ici :
"Now this is, in the exact case, pretty complicated, because although we have said that all the other moving charges are driven by the source field, that is not quite true. If we think of a particular charge, it feels not only the source, but like anything else in the world, it feels all of the charges that are moving. It feels, in particular, the charges that are moving somewhere else in the glass. So the total field which is acting on a particular charge is a combination of the fields from the other charges, whose motions depend on what this particular charge is doing!"

Feynman dit textuellement que le champ qui agit sur la particule chargée est la combinaison des champs des autres charges dont les mouvements dépendent de ce que fait la particule chargée.

On en revient à la Causalité. C'est vrai que je suis un indécrottable partisan de la causalité et quand elle semble être mise en défaut je cherche à comprendre l'erreur d'interprétation.

De ma perspective on peut tout à fait, soit considérer le résultat d'une superposition d'ondes, soit les considérer individuellement comme contribuant chacune au Tout. Mais chaque partie devant obéir à la causalité.

En face des multiples paradoxes je cherche à interpréter nos ondes elles-mêmes comme un résultat 'macroscopique' (!) d'autres ondes plus rapides et causales, seulement leur résultat macroscopique transportant de l'énergie à la vitesse c. Mais bon, c'est ma cuisine interne car à un moment faut bien chercher à expliquer les paradoxes quand on a une conception causale de l'univers, donc oubliez cette parenthèse.

On est en face du même cas de figure qui est présent dans d'autres expériences, et tout est cohérent. Il 'suffit' de comprendre pourquoi c'est comme ça.

[curiossss]

seulement leur résultat macroscopique transportant de l'énergie à la vitesse c.

Je voulais dire "à la vitesse de la lumière". Qui peut être ralentie comme on vient de voir ici.