Photon

« I don’t know anything about photons, but I know one when I see one. »1

L’optique quantique est la théorie des « photons », mais qu’est-ce exactement qu’un photon? Selon une boutade, un photon est ce que détecte un photo-détecteur ! Soit, mais encore ?

A la fin de sa vie, Albert Einstein, l’homme qui avait introduit les « quanta lumineux » en 1905, écrivait à son vieil ami Michele Besso :

« Ces cinquante ans de rumination consciente ne m’ont pas rapproché de la réponse à la question : « que sont les quanta lumineux ? » Aujourd’hui, le premier fripon venu croit qu’il sait ce qu’ils sont, mais il se leurre. » 2.

Depuis, les immenses progrès réalisés dans le domaine de la physique expérimentale 3 ont permis de rendre bien réelles de nombreuses « expériences de pensée » discutées auparavant sur le papier par les pères fondateurs de la théorie quantique 4.

Quantum d’énergie-impulsion d’un mode du champ électromagnétique, « le » photon se révèle être un concept protéiforme.

Aspects expérimentaux

  • Philippe Grangier et al. ; Anti-corrélations, ENS Cachan, web.
  • Philippe Grangier et al. ; Single photon interference, ENS Cachan, web.
  • Philippe Grangier ; La physique quantique,  Université de Tous les Savoirs (2005), vidéo.
  • Alain Aspect ; L’étrangeté quantique mise en lumière, L’espace des sciences (2010), vidéo.
  • Alain Aspect ; Les tests et effets de la physique quantique, Université de Tous les Savoirs (2000), vidéo.
  • Serge Haroche, Michel Brune et Philippe Grangier ; La frontière entre quantique et classique, Cité des Sciences et de l’Industrie (2013-2014), web.

Orientation bibliographique

Comme point de départ, le lecteur pourra consulter ce numéro spécial de la revue de la Société d’Optique américaine :

Optics and Photonics News 14 (October 2003)

On lira en priorité les deux articles suivants 5 :

  • Rodney Loudon ; What is a photon ?, pdf.
  • Ashok Muthukrishnan, Marlan O. Scully et M. Suhail Zubairy ; The concept of the photon—revisited, pdf.

Le lecteur qui souhaiterais approfondir sa réflexion pourra consulter la partie « optique quantique » de la bibliographie d’optique, ainsi que les références suivantes :

  • Marlan O. Scully & Murray Sargent III ; The concept of the photon, Physics Today 25 (3) (1972), 38-47.
  • Richard Kidd, James Ardini & Anatol Anton ; Evolution of the modern photon, American Journal of Physics 57 (1) (Janvier 1989), 27-35

  • Roy J. Glauber ; One Hundred Years of Light Quanta, Review of Modern Physics 78 (2006), 1267–1278. Conférence Nobel 2005.
  • Willis E. Lamb ; Anti-photon, Applied Physics B 60 (1995), 77–84. Springer
  • Berthold-Georg Englert, Marlan Scully et Herbert Walther, La dualité de la matière et de la lumière, Pour la Science 208 (février 1995), 60-67.
  • Ole Keller ; Historical papers on the particle concept of light, Progress in Optics 50 (2007), 51-95.
  • Indianara Silva et Olival Freire Jr, The Concept of the Photon in Question: The Controversy Surrounding the HBT Effect circa 1956–1958, Historical Studies in the Natural Sciences 43 (4) (Sep., 2013), 453-491, Jstor + vidéo.
  • Joan Bromberg, Modelling the Hanbury Brown – Twiss Effect: The Mid-Twentieth Century Revolution in Optics, Max Planck institute (2010), vidéo.
  • Joan Lisa Bromberg, Explaining the laser’s light: classical versus quantum electrodynamics in the 1960s, Archive for History of Exact Sciences 70 (3) (2016), 243–266, doi.org/10.1007/s00407-015-0166-8 .
  • Peter W.Milonni, Field quantization in optics, Progress in Optics 50 (2007), 97-135, doi.org/10.1016/S0079-6638(07)50004-1.

Sur le problème de la localisation du photon

  • Ole Keller ; On the theory of spatial localization of photons, Physics Reports 411 (1-3) (May 2005), 1-232.
  • T.D. Newton & E.P. Wigner; Localized States for Elementary Systems, Review of Modern Physics 21 (1949), 400
  • Iwo Bialynicki-Birula ; Photon wave function, Progress in Optics 36 (1996), 245-294. ArXiv : quant-ph/0508202
  • Peter J. Mohr ; Solutions of the Maxwell equations and photon wave functions, Annals of Physics 325 (2010), 607-663.
  • Iwo Bialynicki-Birula ; Exponential Localization of Photons, Physical Review Letters 80 (1998), 5247. pdf
  • Iwo Bialynicki-Birula ; Why photons cannot be sharply localized, Physical Review A 79 (2009), 032112. ArXiv : quant-ph/0903.3712
  • Margaret Hawton ; Photon position, website

Notes

  1. Roy J. Glauber, prix Nobel de Physique 2005, vidéo ↩
  2. Lettre du 12 décembre 1951. ↩
  3. Un jalon essentiel fut la mise au point de sources de photons « uniques » dans les années 1970. ↩
  4. Ainsi, l’expérience réalisée par Alain Aspect à Orsay au début des années 1980 a permis de tester finement les « inégalités de Bell » et de clore la controverse sur le « paradoxe EPR » datant de 1935. Pour plus de détails sur ce point, cf. e.g. l’article consacré à Bernard d’Espagnat. ↩
  5. Ce numéro spécial d’Optics and Photonics News contient également les contributions suivantes :
    • Arthur Zajonc ; Light reconsidered ;
    • David Finkelstein ; What is a photon ? ;
    • Holger Mack et Wolfgang P. Schleich ; A photon viewed from Wigner phase space. ↩

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