Histoire de la lumière 7

La lumière n’est ni ondes, ni corpuscules.

Einstein va résoudre la première contradiction en 1905 grâce à sa « théorie de la Relativité ». Il part de la constatation que l’action d’un courant sur un aimant et l’action d’un aimant sur un conducteur ne sont pas décrites symétriquement. Pour parvenir à une théorie exempte de contradictions, il rejette un éther devenu inutile, propose de considérer la vitesse de la lumière dans le vide comme une vitesse limite que l’on ne peut dépasser, montre qu’à des vitesses proches de cette limite il ne faut plus considérer l’espace et le temps comme absolus, que leurs mesures varient avec la vitesse du système de coordonnées dans lesquels on les repère, qu’alors espace, temps, vitesse sont liés dans un même « continuum espace-temps ». L’espace géométrique à trois dimensions dans lequel nous vivons n’est plus suffisant pour décrire les phénomènes physiques… Trois mois plus tard, il écrit comme conséquence de sa théorie la fameuse équation E = mc2 : la masse est de l’énergie et l’énergie a une masse. Les deux champs différents des deux objets physiques que l’on avait jusqu’alors toujours distingués : les ondes  énergie qui se propage, continues, non localisées  et les corpuscules  grains de matière, pondérables, discrets, avec une localisation possible  sont mis en relation.

Pour résoudre la seconde contradiction, la « catastrophe ultraviolette », Planck, en 1900, ruse. Il part des résultats expérimentaux et parvient à les retrouver mathématiquement en utilisant un artifice de calcul : sans considération théorique sous-jacente, il est amené à considérer – c’est d’ailleurs Einstein qui le lui fait remarquer en 1902 – que l’énergie des ondes électromagnétiques émises par le corps noir ne varie pas de façon continue, mais par valeurs précises, multiples entiers d’une énergie minimale : le quantum. Planck est alors est incapable d’expliquer la raison du succès de ses calculs, qu’il considère comme étape provisoire. En 1905, Einstein rend compte d’un effet lumineux resté mystérieux : l’effet photoélectrique. Lorsqu’on éclaire une plaque de zinc avec de la lumière, on peut constater l’émission d’électrons. Le phénomène est instantané, alors que, selon la théorie électromagnétique, il faudrait un temps certain pour que l’énergie fournie par les ondes lumineuses puisse éjecter un seul électron. Einstein propose une explication qui fait de la lumière un ensemble de petites particules  les photons. Ceux-ci, frappant les électrons du zinc, les éjecteraient. Mais comment alors expliquer les interférences de la lumière ? Et comment justifier que les photons se propagent à la vitesse d’une onde, non d’une particule ? En 1913, Niels Bohr parvient à rendre compte des spectres lumineux d’absorption et d’émission, qui viennent d’être observés, en suggérant que la matière est formée d’atomes constitués d’un noyau et d’électrons ne pouvant occuper que certains niveaux d’énergie, multiples entiers du quantum de Planck (E = n υ). Cette énergie des électrons fait intervenir la fréquence υ inverse de la longueur d’onde, donc une grandeur liée à la description ondulatoire : la « maladie quantique » gagne la matière !

En 1924, Louis de Broglie souligne la symétrie formelle existant entre la description de la matière et celle de la lumière : on a d’abord considéré la matière comme formée de particules, et il faut lui associer maintenant des ondes ; de même on a longtemps considéré la lumière comme des ondes qui se propagent, et il faut maintenant lui associer des particules. Pourquoi ne pas renoncer, à l’échelle ultramicroscopique, à la séparation des deux objets que la physique a toujours distingué – les ondes et les particules ? Il faut, selon de Broglie, les remplacer par un seul objet, le photon, à la fois ondes et particules, croit-il pouvoir proposer. Aujourd’hui nous savons que les photons, comme tous les quantons (électrons etc…) ne sont ni ondes, ni corpuscules, mais présentent certaines propriétés des unes mais pas des autres : les quantons sont continus dans leur extension et discrets en nombre, alors que les particules sont discrètes en nombre et en extension, les ondes continues en nombre et en extension.

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