Réflexions sur la lumière

Publié le 14 mars 2010 par Nimbus46

Note du 10/02/2017: Je souris en relisant cette article écrit en 2010. On ne peut évidemment pas réfuter l'existence des photons-particules doté d'une onde de probabilité car cette théorie est un des fondements de la physique quantique qu'aucune expérience n'a pu mettre en défaut.Je pourrais retirer cet article de ce blog si ce n'est qu'au delà de sa teneur, il reste le souvenir d'une grande exaltation scientifique et j'en assume totalement la paternité et les contre-vérités. J'ajoute que dans tous les articles qui vont suivre, j'ai toujours suivi une démarche libre mais rigoureuse avec mon niveau de compétence scientifique et mathématique. Je vais donc conserver cet article et les autres qui suivent sans rien changer.

La science constate mais n’explique pas ; Des questions sans réponses

Voici la conclusion à laquelle nous parvenons dans cette étude. il convient de lire ce qui suit avec attention pour trouver les explications et démonstrations ayant abouti à notre théorie:

La lumière est un phénomène de nature purement ondulatoire constitué d'ondes électromagnétiques de différentes fréquences se propageant à la vitesse constante de 299792458 km/s (dans le vide). Les photons sont des particules issues de la transformation de l'énergie lumineuse en présence de certains types de récepteurs. Les exprériences connues qui indiquent une nature corpusculaire révèlent en fait les photons nés de cette transformation et non une propriété de la lumière. La transformation de l'énergie donne naissance à un ou plusieurs photons identiques de masse approximative 2 x 10^-36 kg. Aucun photon ne peut être engendré si la longueur d'onde utilisée est supérieure à 1100 nm (infrarouge lointain)

Préambule:

Nous recevons sur terre de la lumière qui a été émise par des galaxies situées aux confins de l’univers. Cette lumière a voyagé près de 15 milliards d’années à près de 300 000 Km/s et l’image de la galaxie dont elle est issue reste cohérente. Cette lumière que nous recevons sur terre ne représente pas le présent mais le passé lointain. Notre esprit devrait s’étonner d’une telle fidélité entre le signal émis et le signal reçu. Quelle est donc la véritable nature de la lumière ?

Photon ou radiation ?
Les expériences réalisée sur la lumière telles que celles sur les fentes de Young décrites ci-dessus semblent confirmer cette double nature à la fois ondulatoire et corpusculaire. Le but de notre étude est de montrer que les résultats peuvent s'expliquer différemment à partir de notre théorie sur la nature de la lumière.
Nature électromagnétique de la lumière :
La lumière fait partie de la grande famille des ondes électromagnétiques. Les longueurs d’onde visibles par l’œil humain s’étalent sur quelques centaines de nanomètres dans un spectre global allant de l’infiniment petit (rayons Gamma) à plusieurs Kms (grandes ondes radio). Ainsi la vision que nous avons du ciel, des étoiles et des galaxies est une « traduction » par notre cerveau des informations transmises par notre système de vision. Les instruments de prise de vue astronomiques les plus performants utilisent et « voient » d’ailleurs sur des bandes de fréquences différentes de la lumière visible pour des observations plus complètes de l'univers.

Notre hypothèse sur la nature de la lumière :

La double nature de la lumière a été admise uniquement en fonction de l'interprétation des expériences indiquant un comportement tantôt corpusculaire tantôt ondulatoire Nous verrons que notre théorie ne contredit en rien les résultats de ces expériences mais qu'au contraire elle en donne une interprétation beaucoup plus satisfaisante pour l'esprit.

L’énergie latente:

Un rocher au bord d’une falaise possède une énergie potentielle mécanique qui ne se libèrera que lorsque le rocher tombera du haut de la falaise. Le rocher peut demeurer éternellement sur la falaise et conserver son énergie latente.

La lumière, énergie latente: Lorsque a lumière parcourt des milliards d’années lumière sans rencontrer d’obstacle, son potentiel énergétique demeure constant. C’est la raison pour laquelle nous pouvons observer l’étoile dont elle est issue (aucun obstacle entre l’étoile et la terre). Il suffit qu’un écran matériel s’interpose pour que son énergie latente ou une partie de cette énergie se libère en se transformant en une autre forme d'énergie.

Nous pensons que, lors des expériences qui semblent prouver la nature corpusculaire de la lumière, celle-ci se transforme en fait partiellement en une quantité de matière équivalente à l’énergie transformée.

Nous voyons ainsi que ce qui apparaissait comme antinomique devient cohérent et sans aucune contradiction avec les résultats observés lors des expériences. Si cette hypothèse pouvait être prouvée, ce serait une avancée extraordinaire dans la compréhension de la nature réelle de la lumière.

Retour sur l’expérience des fentes de Young :

Nous savons maintenant que la lumière possède bien des propriétés ondulatoires. Qu'en est-il de sa nature corpusculaire?

La lumière transporte une énergie (E=hν) qui se transforme en un ou plusieurs photons selon une certaine probabilité p.

Prenons l’exemple des rayons lumineux provenant du soleil. Tant qu’ils traversent l’espace qui sépare le soleil de la terre, aucune transformation ne se produit et même l’atmosphère terrestre qu’il traverse subit très peu d'échauffement direct car transparent (l’air ambiant s’échauffe principalement par conduction de la chaleur du sol) Que se passe-t-il lorsque la lumière rencontre une surface non totalement transparente tel que le sable de la plage ? Cette surface devient un récepteur qui transforme l’énergie potentielle lumineuse en énergie calorifique (pour la partie absorbée et qui n’est pas réfléchie par le sable). Essayons de bien comprendre ce phénomène:

Nous savons que lorsqu’un projectile lancé à grande vitesse (la balle d’un fusil par exemple) rencontre une surface solide et s’y écrase, la température au niveau de l’impact augmente brutalement. On pourrait donc en déduire que la lumière agit de la même façon et penser ainsi qu'elle est bien constituée de petites billes (photons). Si c’était le cas, on parlerait de transformation d’énergie cinétique en énergie calorifique et il n’y aurait rien à objecter. Le problème c’est que l'énergie cinétique est proportionnelle à la masse du projectile (et au carré de sa vitesse), or la physique affirme que la masse du photon est nulle.

Nous avons émis plus haut dans l’article l’hypothèse que la lumière libère son énergie en générant de la matière en présence d’un récepteur. Cette matière peut très bien, à son tour, se désagréger rapidement et transmettre son énergie aux molécules de sable qui vont la récupérer sous forme de chaleur.
Interprétation des résultats de l’expérience sur les fentes de Young selon notre théorie :

Notre théorie prévoit la création de photons lors de la transformation lors de l'interaction avec un récepteur. L'énergie électromagnétique ne se transforme pas totalement en photons. Un pourcentage p compris entre 0 et 1 de son énergie est transformé . Si p=0 dans les conditions de l'expérience, aucun photon ne peut être créé et si p=1, toute l'énergie de l'onde sera transformée en matière à condition que la longueur d'onde soit inférieure à celle qui correspond à l’énergie d’un photon soit 1100 nm environ.

Admettons qu’une partie de l’onde lumineuse, en présence de ce récepteur que sont les fentes de Young, se transforme en une quantité de matière de masse totale M (M=pE/C²) où p représente le pourcentage de l’énergie de l’onde qui s’est transformé en « matière » (ou sa probabilité de transformation en matière).
On peut écrire: phν = MC² d’où la masse totale engendrée M

M=phν/C²

La théorie corpusculaire de la lumière stipule que l'énergie du photon est égale à celle de l'onde électromagnétique de l'onde lumineuse (E=hν). Cette énergie est donc variable et dépendante de la longueur d'onde.
Dans notre théorie, nous émettons l'hypothèse que, comme toutes les autres particules, les photons sont des particules dotées d'une masse élémentaire m au repos. Ceci implique que la masse M n'est pas la masse d'un photon mais celles de plusieurs photons de masse élémentaire constante m. Soit l le nombre de photons de masse m tel que M=lm.
la relation ci dessus devient alors :

l=ENT(phν/C²m) soit, en remplaçant n par C/ λ
l=ENT(ph/Cmλ)

ENT ( ) représente la valeur entière du terme entre parenthèses puisque l est le nombre de photons et ne peut prendre que des valeurs entières.

Cette relation définit le nombre l de photons crées lors de la transformation d'une onde électromagnétique en matière.

l:= nombre de photons crées

p= facteur de transformation lié aux conditions de l'expérience (0<p<1)

h= Constante de Planck= 6,62606896×10^-34 J.s

ν= fréquence de l'onde lumineuse concernée

λ= Longueur d'onde de la lumière utilisée

C= célérité de la lumière soit 3x 10⁸ m/s

m= masse du photon élémentaire.

Nous émettons maintenant l’hypothèse que la lumière utilise ses propriétés ondulatoires pour se déplacer et que son énergie latente se transforme, en présence d’un récepteurs, en un nombre l de photons, particule élémentaire de masse m non nulle.
- Tout objet capable d'absorber une partie de la lumière dispose de la propriété de récepteur lumineux.
- La lumière qui se déplace ne comporte aucun photon

Tout récepteur est doté d' un coefficient (ou probabilité) de transformation en photons compris entre 0 et 1. Un corps noir absorbe toute l’énergie et son coefficient de transformation en photons est de 1. Un corps blanc en revanche réfléchit toute la lumière et son coefficient de transformation en photons est de 0. En pratique, un récepteur n’est ni totalement blanc ni totalement noir et donc réfléchit une partie de la lumière sous forme d’une onde et en absorbe le reste. L'œil est un récepteur particulier qui absorbe une partie de la lumière (entre 400 et 900 nm). Cette lumière absorbée engendre des photons qui en traversant le dispositif optique vont former une image sur la rétine que le cerveau à son tour récupérera via le nerf optique afin de l'interpréter.

Calcul de la masse du photon élémentaire:

La courbe de réponse en fréquence d'une cellule photo-électrique (comme celle représentée par la courbe ci-dessous) va nous permettre de calculer la masse du photon. En ordonnée, le courant électrique fourni par la cellule et en abscisse la longueur d'onde de la lumière monochromatique qui l'éclaire.

Voici une courbe représentant l’énergie électrique d’une diode photoélectrique en fonction de la longueur d’onde de la lumière qui l’éclaire

TSL237 spectral response

Selon notre théorie, pour que les photons qui vont se transformer en courant électrique existent, il est nécessaire que l'énergie de lumière monochromatique éclairant la cellule soit au moins égale à l'équivalent énergétique de la masse élémentaire m du photon. La longueur d'onde pour laquelle le moindre début de courant sera détecté par les galvanomètres les plus précis correspondra à cette énergie minimum, ce qui nous permettra, si on connait cette valeur de calculer la masse de l'électron élémentaire.

D'après la courbe de réponse spectrale ci-dessus le courant de la cellule est nul à 1100 nm et au-delà et croit lorsque nous diminuons la longueur d'onde de la lumière. Nous dirons donc qu'à partir de 1100 nm, la création d'un photon devient possible Pour un photon particulier créé à 1100 nm, sa probabilité d’existence est de 100%. Nous pouvons donc, pour ce premier photon à créé à 1100 nm attribuer à l et p la valeur 1.

Cela signifie qu'une onde de très haute fréquence et donc de forte énergie pourrait en théorie engendrer un nombre très important de photons.

Comment se fait il alors que la réponse énergétique de la cellule ne soit pas toujours croissante lorsque la longueur d'onde diminue (on observe sa décroissance sur la courbe en dessous de 700 nm)?
La réponse est que la création de photons est certes dépendante de la fréquence mais également du facteur p représentant la probabilité de transformation de la lumière par un récepteur. Or nous savons bien que les rayons X et a fortiori des rayons Gamma (rayons fortement énergétiques) "traversent" la matière comme si celle-ci leur était transparente. C'est d'ailleurs cette propriété que l'on utilise en radiologie. C'est donc la conjugaison de l'énergie et de la probabilité de génération de photons qui va donner à la courbe de réponse cette allure en forme de cloche.

Calculons maintenant la valeur de la masse m d'un photon élémentaire. En reprenant notre équation l=ENT (ph/Cm λ) et en donnant à l et p la valeur 1 (apparition du premier photon à 1100 nm), nous pouvons écrire m=h/C λ

En remplaçant L par 1100 x 10^-9, h et C par leurs valeurs connues nous déduisons la masse élémentaire du photon

m= 2 x 10^-36 kg

La masse du photon élémentaire est de 2 x 10^-36 kg soit 500 000 fois plus léger que l'électron (9.1x 10^-³¹kg).

Conclusion générale de l'étude:

La lumière est un phénomène de nature purement ondulatoire. Les photons sont des particules nées de la transformation de l'énergie lumineuse en présence de récepteurs adaptés. Les expériences connues qui indiquent une nature corpusculaire de la lumière révèlent en fait les photons nés de cette transformation et non une propriété de la lumière. La transformation de l'énergie donne naissance à un ou plusieurs photons identiques de masse approximative 2 x 10^-36 kg. Aucun photon ne peut être engendré si la longueur d'onde utilisée est supérieure à 1100 nm (infrarouge lointain)

L'expérience consiste à éclairer par une source lumineuse un écran percé de deux fentes très fines et très rapprochées. Ces deux fentes se comportent comme deux sources secondaires d'émission lumineuse. Une plaque photographique placée derrière l'écran enregistre la lumière issue des deux fentes. Ces deux sources interfèrent et forment sur la plaque photographique ce que l'on appelle une figure d'interférence (voir figure 2 ⇒). Cette figure est caractéristique d'un comportement ondulatoire de la lumière (voir l'article interférence). Si l'expérience en reste à ce niveau, l'aspect corpusculaire n'apparait pas.

En fait, il est possible de diminuer l'intensité lumineuse de la source primaire de manière à ce que la lumière soit émise photon par photon. Le comportement de la lumière devient alors inexplicable sans faire appel à la nature corpusculaire.

En effet, si on remplace la source lumineuse par un canon qui tire des micro-billes à travers les deux fentes (par exemple), donc de "vraies" particules, on n'obtient aucune figure d'interférence, mais simplement une zone plus dense, en face des fentes (⇐ voir figure 3).

Or, dans le cas des photons, on retrouve la figure d'interférence reconstituée petit à petit, à mesure que les photons apparaissent sur la plaque photographique (figure 4 ⇒). On retrouve donc une figure d'interférence, caractéristique des ondes, en même temps qu'un aspect corpusculaire des impacts sur la plaque photographique.

N°1

Figure1- Schéma de l'expérience

N°2

Figure 2-Observations

Explication quantique de cette expérience (source Wikipedia ):

L'interprétation de cette expérience est difficile, car si on considère la lumière comme une onde, alors les points d'impacts sur la plaque photographique sont inexplicables; on devrait voir dans ce cas très faiblement, dès les premiers instants, la figure d'interférence des figures 2, puis de plus en plus intenses. Au contraire, si on considère la lumière comme étant exclusivement composée de particules, alors les impacts sur la plaque photographique s'expliquent aisément, mais la figure d'interférence ne s'explique pas : comment et pourquoi certaines zones seraient privilégiées et d'autres interdites à ces particules ?

Force est donc de constater une dualité onde-particule des photons (ou de tout autre objet quantique), qui présentent simultanément les deux aspects.

En mécanique quantique, la dualité onde-particule est expliquée comme ceci : tout système quantique et donc toute particule est décrit par une fonction d'onde qui code la densité de probabilité^[^3] de toute variable mesurable (nommées aussi observable). La position d'une particule est un exemple d'une de ces variables. Donc, avant qu'une observation soit faite, la position de la particule est décrite en termes d'ondes de probabilité.

Les deux fentes peuvent être considérées comme deux sources secondaires pour ces ondes de probabilité : les deux ondes se propagent à partir de celles-ci et interfèrent (voir schéma de droite ⇒).

Sur la plaque photographique, il se produit ce que l'on appelle une réduction du paquet d'onde, ou une décohérence de la fonction d'onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d'onde : élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d'autres (franges sombres).

Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique. Jusqu'à ce qu'une observation soit faite, la position d'une particule est décrite en termes d'ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.

La manière de conceptualiser le processus de la mesure est l'une des grandes questions ouvertes de la mécanique quantique. L'interprétation standard est l'interprétation de Copenhague, mais la théorie de la décohérence est aussi de plus en plus considérée par la communauté scientifique.