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Chapitre 10 • Le photon : une introduction à la physique quantique
Mais il fallait bien évidemment rendre compatible lapproche ondulatoire de Maxwell, qui expliquait l'ensemble des phénomènes d'interférence et de diffraction
observés jusqu'alors, et l'approche corpusculaire d'Einstein qui expliquait l'effet
photoélectrique et le rayonnement du corps noir. C'est ce qui a été accompli au
xxe siècle par un certain nombre de physiciens au premier rang desquels on peut
citer Dirac et Glauber. À partir des concepts quantiques généraux, c'est-à-dire du
formalisme de la mécanique quantique élaboré dans les années 1920, ils mirent
au point une théorie, appelée «électrodynamique quantique», ou «optique quantique», qui explique par un formalisme unique l'ensemble des phénomènes lumineux connus jusqu'à présent. Il n'est pas question de la présenter dans ce
manuel, dont le but est d'introduire un certain nombre de concepts simples permettant une première approche de ces phénomènes.
1 0.1 LE PHOTON : UN FAIT EXPÉRIMENTAL
De nombreuses expériences simples permettent de démontrer la nature corpusculaire de la lumière. Prenons l'exemple d 'une mesure réalisée quotidiennement par
les physiciens contemporains : la mesure de la distance entre la Terre et la Lune
(figure 10.1). Grâce à des réflecteurs posés sur la Lune par les différentes missions
spatiales, qu'elles soient américaines ou russes, il est possible d'obtenir cette distance
en mesurant le temps que met une impulsion lumineuse émise depuis un observatoire
Terrestre pour faire l'aller-retour. Les ordres de grandeur de cette expérience sont tout
à fait remarquables. Des impulsions lumineuses d'environ une centaine de picosecondes et d'énergie 200 ml sont émises depuis la Terre, mais du fait de la diffraction,
qui élargit le faisceau à l'aller et au retour, et de la petite taille des réflecteurs lunaires,
seule une toute petite partie de l'énergie revient dans le détecteur environ 2 s plus tard.
Si on fait un bilan énergétique complet on trouve qu' il y a un rapport 10
20 entre la
puissance envoyée et la puissance reçue! Expérimentalement, on observe qu'à ces
puissances extrêmement faibles le détecteur ne se comporte plus de façon linéaire.
Il produit un signal qui n' est pas celui qu' on observerait sur l'impulsion initiale divisé par 10 20 : la plupart du temps Je signa] est nul, mais pour environ une impulsion
sur cinquante on observe l'apparition d 'une brève « bouffée », que nous appellerons
« clic» et qui est d'intensité constante : ]'arrivée d'un photon a été enregistrée par Je
détecteur. L'arrivée de ces photons est totalement irrégulière : c'est une illustration
directe de Ja nature probabiliste de la théorie quantique que nous al1ons décrire dans
ce chapitre. L'énergie moyenne reçue par impulsion étant environ 50 fois plus faible
que celle d' un photon unique, celui-ci étant insécable, au lieu de détecter 1 cinquantième de photon à chaque tir on détecte un photon arrivant au hasard, en moyenne
une foi s tous les 50 tirs.
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Chapitre 10 • Le photon : une introduction à la physique quantique
Mais il fallait bien évidemment rendre compatible lapproche ondulatoire de Maxwell, qui expliquait l'ensemble des phénomènes d'interférence et de diffraction
observés jusqu'alors, et l'approche corpusculaire d'Einstein qui expliquait l'effet
photoélectrique et le rayonnement du corps noir. C'est ce qui a été accompli au
xxe siècle par un certain nombre de physiciens au premier rang desquels on peut
citer Dirac et Glauber. À partir des concepts quantiques généraux, c'est-à-dire du
formalisme de la mécanique quantique élaboré dans les années 1920, ils mirent
au point une théorie, appelée «électrodynamique quantique», ou «optique quantique», qui explique par un formalisme unique l'ensemble des phénomènes lumineux connus jusqu'à présent. Il n'est pas question de la présenter dans ce
manuel, dont le but est d'introduire un certain nombre de concepts simples permettant une première approche de ces phénomènes.
1 0.1 LE PHOTON : UN FAIT EXPÉRIMENTAL
De nombreuses expériences simples permettent de démontrer la nature corpusculaire de la lumière. Prenons l'exemple d 'une mesure réalisée quotidiennement par
les physiciens contemporains : la mesure de la distance entre la Terre et la Lune
(figure 10.1). Grâce à des réflecteurs posés sur la Lune par les différentes missions
spatiales, qu'elles soient américaines ou russes, il est possible d'obtenir cette distance
en mesurant le temps que met une impulsion lumineuse émise depuis un observatoire
Terrestre pour faire l'aller-retour. Les ordres de grandeur de cette expérience sont tout
à fait remarquables. Des impulsions lumineuses d'environ une centaine de picosecondes et d'énergie 200 ml sont émises depuis la Terre, mais du fait de la diffraction,
qui élargit le faisceau à l'aller et au retour, et de la petite taille des réflecteurs lunaires,
seule une toute petite partie de l'énergie revient dans le détecteur environ 2 s plus tard.
Si on fait un bilan énergétique complet on trouve qu' il y a un rapport 10
20 entre la
puissance envoyée et la puissance reçue! Expérimentalement, on observe qu'à ces
puissances extrêmement faibles le détecteur ne se comporte plus de façon linéaire.
Il produit un signal qui n' est pas celui qu' on observerait sur l'impulsion initiale divisé par 10 20 : la plupart du temps Je signa] est nul, mais pour environ une impulsion
sur cinquante on observe l'apparition d 'une brève « bouffée », que nous appellerons
« clic» et qui est d'intensité constante : ]'arrivée d'un photon a été enregistrée par Je
détecteur. L'arrivée de ces photons est totalement irrégulière : c'est une illustration
directe de Ja nature probabiliste de la théorie quantique que nous al1ons décrire dans
ce chapitre. L'énergie moyenne reçue par impulsion étant environ 50 fois plus faible
que celle d' un photon unique, celui-ci étant insécable, au lieu de détecter 1 cinquantième de photon à chaque tir on détecte un photon arrivant au hasard, en moyenne
une foi s tous les 50 tirs.
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