Le photon est une particule qui porte une « énergie lumineuse » élémentaire. Théorisé par Albert Einstein en 1905, on l’appelle aussi « quantum d’énergie lumineuse ». Ces particules subatomiques sont absolument essentielles pour notre compréhension du monde de la physique, et notamment de la lumière, de l’électromagnétisme et d’autres phénomènes cosmiques.
Photons, des particules élémentaires
On dit des photons qu’ils sont des particules élémentaires. C’est-à-dire qu’ils font partie des plus petits objets physiques dont sont constituées la matière et les forces de l’univers. Les particules élémentaires sont des paquets d’énergie caractérisés par une masse, le spin et d’autres notions comme la charge électrique.
Les photons en particulier sont des particules élémentaires sans charge électrique, dotée d’un spin de 1 et d’une masse nulle au repos. Ils font partie des acteurs principaux de la force électromagnétique, considérée comme l’une des quatre forces fondamentales de l’univers. Cette force gouverne les interactions électriques et magnétiques entre les particules. Cette caractéristique place les photons au cœur de la physique moderne et de nombreuses avancées technologiques. Mais pour comprendre le rôle crucial qu’a joué leur découverte et leur étude, il faut revenir aux origines de la lumière.
Les photons, des particules lumineuses
Pour expliquer ce qu’est la lumière, deux approches radicalement différentes voire opposées se sont affrontées depuis l’antiquité : la lumière est-elle une onde ou est-elle une particule ?
- Grèce antique : les premières réflexions sur la nature de la lumière remontent à l’Antiquité grecque. Parmi les philosophes grecs, Empédocle et Démocrite ont suggéré que la lumière était composée de particules émises par les objets. En revanche, Platon et Aristote considéraient la lumière comme un phénomène ondulatoire.
- Renaissance : au cours de la Renaissance, les idées d’Alhazen (Ibn al-Haytham), un scientifique du Moyen Âge, ont eu une grande influence sur la compréhension de la lumière. Il a émis l’hypothèse que la lumière se propage sous forme d’ondes. Cependant, l’idée de particules lumineuses, appelées « corpuscules », était également populaire à cette époque.
- 17e siècle : La question de la nature de la lumière est au cœur d’un débat entre les partisans de la théorie ondulatoire, tels que Christiaan Huygens, et ceux de la théorie corpusculaire, comme Isaac Newton. Newton a soutenu que la lumière était composée de particules, tandis que Huygens a avancé l’idée d’ondes lumineuses. Cette controverse a duré des décennies.
- 19e siècle : Les expériences de Young et Fresnel, notamment le phénomène de la diffraction de la lumière, ont fourni des preuves convaincantes en faveur de la théorie ondulatoire de la lumière. Cependant, la question n’a pas été définitivement résolue.
- 20e siècle : La théorie quantique unifie finalement les deux perspectives en introduisant le concept de photons, qui agissent à la fois comme des particules (transportant énergie et impulsion) et des ondes (avec des longueurs d’onde et des fréquences associées) en fonction des circonstances.
Les photons, en tant que particules lumineuses, incarnent donc la dualité onde-particule. Chacun d’entre eux possède une énergie proportionnelle à la fréquence de l’onde électromagnétique qui lui est associée. Les photons X ou les photons gamma ont par exemple une énergie importante qui leur permet de traverser la matière ou les tissus biologiques.
La contribution d’Einstein au concept de photon
C’est à Albert Einstein que l’on doit la révélation de cette dualité. Car s’il n’a pas découvert les photons, il a révolutionné notre compréhension de leur comportement en 1905. Comment ? En expliquant un phénomène appelé l’effet photoélectrique. Lorsqu’une lumière (constituée de photons) frappe une surface métallique, des électrons peuvent être éjectés de cette surface. Cet effet était mal compris à l’époque.
Einstein a proposé que la lumière n’était pas seulement une onde, mais aussi composée de particules discrètes appelées « quanta » (ce que nous appelons aujourd’hui photons). Il a suggéré que la lumière est constituée de petits paquets d’énergie (photons) et que l’énergie de ces photons dépend de leur fréquence. Lorsque suffisamment d’énergie est apportée par les photons, les électrons contenus dans le métal sont éjectés.
Cette idée a eu un impact majeur sur le développement de la mécanique quantique, une branche fondamentale de la physique, et elle a valu à Einstein le prix Nobel de physique en 1921. Elle a aussi eu un impact majeur sur les applications pratiques des photons.
Utilisation des photons dans les technologies
Le concept de photon a permis d’interpréter de nombreux phénomènes physiques et a conduit au développement de nombreuses technologies, de la photo au scanner en passant par le contrôle des bagages par rayons X, l’usage du laser en médecine et évidemment, le secteur de l’énergie solaire.
- Imagerie médicale : Les photons sont utilisés dans les scanners médicaux, comme les IRM et les scanners CT, pour obtenir des images détaillées de l’intérieur du corps humain.
- Fibre optique : Les photons sont utilisés pour transmettre des données à grande vitesse via des câbles en fibre optique, ce qui permet des connexions Internet rapides et fiables.
- Laser médical et esthétique : Les lasers utilisent des photons pour effectuer des opérations chirurgicales précises et des traitements cosmétiques.
- Imagerie médicale : Les photons sont utilisés dans les scanners médicaux, comme les IRM et les scanners CT, pour obtenir des images détaillées de l’intérieur du corps humain. Les écrans modernes utilisent des photons pour afficher des images et des vidéos de haute qualité.
- Énergie solaire : l’effet photoélectrique est utilisé pour développer les cellules photovoltaïques des panneaux solaires. En effet, lorsque les photons viennent frapper les cellules photovoltaïques d’un panneau solaire, ils leur permettent de produire de l’électricité.