Mon ouvrage :
Structure et mécanique de l’atome
Est paru aux Editions Bénévent
530 pages, 35€
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Onde ou photon
Le grand débat sur la nature du rayonnement électromagnétique
est-il définitivement clos depuis que Louis de Broglie a montré la dualité
d'état onde-corpuscule de toutes les particules élémentaires. Le rayonnement
électromagnétique est-il composé, comme le supposaient Newton puis Einstein,
de grains de lumière que Lewis nomma les photons ou bien n'est-il fait que
d'ondes selon l'hypothèse de Huygens, de Fresnel et de Young ?
Le fait marquant qui a conduit Einstein à réintroduire l'idée
primitive de Newton fut d'expliquer l'émission photoélectrique qui échappait à
toute tentative de description par la théorie ondulatoire. Mais il était
évident qu'une explication purement mécanique de tous les effets lumineux était
insuffisante et de Broglie eu la géniale idée de faire la synthèse des deux
théories apparemment contradictoires.
Cependant l'hypothèse des photons est, malgré les apparences
actuelles, difficilement défendable quand on y regarde de plus près. Nous
verrons au cours de ce chapitre qu'une explication purement ondulatoire est
mieux adaptée à rendre compte de tous les phénomènes observés, y compris
l'effet photoélectrique. Les difficultés qu'ont rencontré, dans cette voie, les
initiateurs des théories quantiques et ondulatoires reposent essentiellement
sur une conception erronée de la nature du rayonnement électromagnétique. Nous
aurons l'occasion de voir que les fronts d'onde ne sont pas de simples ondulations
de l'espace comme semblent le croire nombre de physiciens, mais qu'ils sont
constitués d'une substance réelle et pondérable. Cette différence d'avec les
conceptions actuelles conduit à rendre compte d'une façon simple, et sans
hypothèse ad hoc, d'un grand nombre de phénomènes, tant dans le domaine de l'optique
géométrique comme nous le verrons ci-dessous qu'en Thermodynamique.
Tout d’abord, il nous faut nous rendre compte que la théorie des
photons est incompatible avec l’effet Doppler-Fizeau. En effet, cet effet, qui
résulte de la variation de la distance apparente entre deux fronts d’onde
successifs lorsque la source et l’observateur sont en mouvement relatif, est
parfaitement et naturellement expliqué dans le cadre d’une théorie purement
ondulatoire. Elle ne l’est que d’une façon tirée par les cheveux lorsque
l’on invoque le changement de fréquence d’un photon qui a perdu de l’énergie.
En effet, il ne s’agit pas, dans les thèses admises actuellement, d’une
diminution de la fréquence, d’une diminution du nombre de photons d’un
rayonnement mais bien de la perte de l’énergie de chaque photon lorsque la
distance entre la source et l’observateur augmente. Nous reviendrons sur ce
problème §-
Avant d'en venir à l'exposé de la structure des fronts d'onde,
examinons à nouveau une des difficultés que provoque le concept du photon. Supposons un atome excité par un rayonnement
extérieur de fréquence n. Supposons que cet atome
soit seul, isolé de toutes parts, en suspension dans le vide. Cet atome émettra un rayonnement de fréquence
identique à la fréquence du rayonnement incident si cette fréquence est
compatible avec les modes de pulsation de l'atome. Le rayonnement émis
sera-t-il visible dans toutes les directions de l'espace ?
On suppose, bien sûr, que la fréquence n se situe dans le domaine
des ondes lumineuses. La question est donc de savoir si un observateur
percevra, en un point quelconque de l'espace autour de l'atome émetteur, la
totalité de l'émission ou seulement quelques photons de-ci de-là au hasard de
la direction que chaque photon voudra bien prendre au moment de l'émission.
La réponse évidente devrait
être que le rayonnement serait visible à la même fréquence que celle de
l'émission, sinon les atomes ne pourraient être identifiés par leur spectre
d'émission ou d'absorption. Les fréquences observées seraient quelconques et
sur un grand nombre d'émissions simultanées provenant d'un grand nombre
d'atomes émettant ensemble à la même fréquence, un observateur, dans une
direction quelconque percevrait un rayonnement statistiquement uniforme sans
raies caractéristiques. Il n'y aurait aucune raison pour qu'une fréquence de
photons soit plus probable dans toutes les directions de l'espace
simultanément. Car il est évident que la position de cet observateur est
quelconque, nullement privilégiée, et qu'en se déplaçant autour des atomes
émetteurs, il continuerait à observer les mêmes fréquences de rayonnement. Si,
au lieu de l'observateur en mouvement, il y avait une infinité d'observateurs
différents, chacun d'eux devrait percevoir également les mêmes fréquences. Ce
qui nous amène à supposer que les photons émis à chaque émission partent dans
toutes les directions de l'espace autour du point source sans privilégier
aucune direction. Les photons se répartissent donc sur un front sphérique, les
fronts d'onde de Fresnel et de Young. Chaque front d'onde sphérique serait
séparé du front émis une période auparavant et du front émis une période après,
d'une distance égale à la longueur d'onde. On remarque que l'hypothèse des
photons n'est pas nécessaire, les fronts d'onde pouvant se concevoir comme
n'étant pas composés d'éléments corpusculaires mais comme des membranes ou des
pellicules, ce que nous justifierons ci-dessous.
Si les fronts d'onde sont constitués de photons, ces photons
doivent être en quantités finies et seront serrés les uns contre les autres sur
les fronts voisins de l'atome émetteur puis au fur et à mesure où les fronts
d'onde se propagent et s'éloignent du lieu d'émission, leurs surfaces
s'agrandissent et les photons devraient se trouver de plus en plus éloignés les
uns des autres. Ce qui ferait qu'à une certaine distance de l'atome émetteur,
et selon la position d'observation, on ne devrait plus pouvoir observer la
fréquence d'émission et on se retrouverait dans le même cas de figure que celui
évoqué ci-dessus. Le fait que la fréquence observée ne dépende pas de la
distance entre l'émetteur et l'observateur, infirme à nouveau l'hypothèse de
l'existence des photons au bénéfice de celui des fronts d'onde de structure
continue sans singularités locales. Enfin, un petit calcul va nous permettre de
mieux évaluer le bien-fondé des raisons qui nous poussent à douter de
l'existence des photons.
Supposons qu'à une certaine distance de l'atome émetteur, disons 5
mètres, chaque élément de surface l2 des fronts d'onde qui
parviennent à un ou plusieurs observateurs contient au moins un photon
d'énergie hn de façon que n'importe quel observateur, quelle que
soit sa position, perçoive l'émission à sa fréquence initiale. La sphère de
rayon R à une surface S = 4pR2 et devra recevoir n=S/l2 photons à chaque période d'émission. En une seconde l'atome émet n fronts d'onde, soit N=nn photons d'énergie hn. Prenons un atome d'hydrogène émettant la raie
caractéristique Ha à 656,3 nm. La puissance d'émission de cet atome
sera :
P = Nhn = 4pR2 n4 h/c2 = 1011 Watts,
soit 100 millions de
kilowatts ! Que le lecteur sceptique refasse ce calcul. Il pourra vérifier que
s'il y a une erreur, elle ne peut résider que dans le concept du photon
lui-même. Sinon quelle source prodigieuse d'énergie serait un simple atome
d'hydrogène émettant une pâle lueur rouge.
Remarquons que nous avons supposé qu'à la distance de 5 mètres, il
n'arrivait plus qu'un photon par aire égale à celle du carré de la longueur
d'onde du rayonnement émis. Ce qui fait que seulement 1 atome de la surface
réceptrice sur 10 millions environ se trouve éclairé, ce qui est la condition minimale imposée en mécanique
quantique par l'incertitude sur la position du photon dans l'onde qui
l'accompagne.
Mais il n'est pas évident que l'émission d'un seul atome excité
puisse être visible à cette distance de 5 mètres. Prenons donc une ampoule de 1
cm3 contenant 2,65 1019 molécules d'hydrogène à la
pression atmosphérique et à 15° centigrades. Les spectroscopistes savent qu'un
tel échantillon de gaz excité émettra suffisamment de photons pour être visible
à cette distance de 5 mètres dans toutes les directions de l'espace autour de
l'ampoule. Non seulement l'on observera la longueur d'onde de 656,3 nm, mais on
observera également d'autres raies caractéristiques de l'hydrogène, de
longueurs d'onde plus courtes et donc d'énergie plus grande que celle sur
laquelle nous avons basé ce calcul.
Appliquons la loi de Stéfan-Boltzmann après avoir calculé la
surface S de cette ampoule, soit 4,8 cm2 et en l'assimilant à un
corps noir de température T = 288 K. La puissance totale rayonnée sera :
Pnoir = S
Cnoir (avec Cnoir =
5,65 10-8 W/m2
T4)
La puissance de cette ampoule ne sera donc que de 0,187 W sur l'ensemble du spectre, ce qui est très
loin du résultat précédent, mais conforme à l'expérience.
Pourtant, l'expérience confirme également que l'ampoule
d'hydrogène excité sera visible dans toutes les directions de l'espace à la
distance admise dans ce calcul, et bien au-delà encore, et que l'on observera
toujours les fréquences d'émission quelles que soient la distance et la
position de l'observateur. Cette expérience ne peut donc que confirmer notre
premier calcul dans la mesure où l'on persiste à croire à l'existence des
photons. Nous pouvons maintenant admettre que ce n'est pas un atome mais les
2,65 1019 molécules d'hydrogène que contient l'ampoule qui émettent
toutes ensemble les N photons. Le problème revient à expliquer comment une
ampoule qui émet un rayonnement avec une puissance de quelques dixièmes de watt
peut produire un effet de plus de 100 millions de kilowatts.
La physique quantique, qui a pour règle d'or les principes de
conservation de la masse et de l'énergie, a-t-elle une explication plausible ou
pourra-t-elle démontrer quelque erreur dans le raisonnement qui précède ?
Pourra-t-on invoquer qu'il n'y a pas de photon sur toute la
surface de la sphère d'observation, qu'il n'y a qu'un seul photon par front
d'onde sphérique et que c'est l'acte d'observer qui provoque la matérialisation
du photon sur l’œil de l'observateur ou sur le dispositif d'observation ? Dans
ce cas il faudra trouver une théorie qui tient compte de la présence d'un
nombre quelconque d'observateurs faisant simultanément les mêmes mesures.
Des hypothèses de ce genre ne sont pas étrangères aux démarches
intellectuelles inspirées par les fondateurs de la mécanique quantique. Il
serait sans intérêt de les exposer et d'en discuter ici. Ce qui est intéressant
à retenir de l'esprit de ces spéculations, c'est qu'elles reconnaissent
implicitement l'existence effective du front d'onde et considèrent le photon
comme une singularité locale de ce dernier.
Remarquons cependant que si ce problème n’interroge plus
personne, il a été évoqué par certains physiciens, et non des moindres, tel
Planck :
« Une des questions
dont l’élucidation apporterait, à mon avis, beaucoup de clarté à l’ensemble de
la théorie est la suivante : que devient l’énergie d’un quantum quand
l’émission est terminée ? Est-ce que l’énergie se propage ensuite dans
toutes les directions, au sens de la théorie ondulatoire de Huygens en occupant
un volume de plus en plus grand ? Ou bien est-ce qu’elle est projetée dans
une seule direction comme le voudrait la théorie de l’émanation de
Newton ? Dans le premier cas, jamais un quantum ne serait plus en état de
concentrer son énergie dans un espace suffisamment petit pour pouvoir détacher
un électron de l’atome auquel il appartient. Dans le second cas, il faudrait sacrifier
ce qui a le plus contribué au triomphe de la théorie de Maxwell : la
continuité entre le champ statique et le champ dynamique, continuité qui,
seule, a permis d’expliquer les phénomènes d’interférences jusqu’à leurs
moindres détails. Comme on le voit, chacune de ces deux alternatives entraîne
des conséquences aussi peu satisfaisante que possible pour le théoricien de la
physique. »[1]
Ces questions, posées par le père du quantum lui-même,
montre combien l’interprétation admise de la notion de quantum de lumière est
peu satisfaisante. S’il y a maintenant près de 60 ans que ces questions ont
été formulées, il ne semble pas que la communauté scientifique s’en soit
inquiétée. L’optimisme de Planck était-il fondé ? :
« Mais, dans cette
question comme dans toutes les autres, il n’est pas douteux que la science
finira par trouver la solution et que l’on cessera d’être prisonnier d’un
dilemme redoutable. Quand ce moment sera arrivé, ce qui ne nous paraît pas
satisfaisant aujourd’hui sera regardé comme s’harmonisant d’une façon
particulièrement heureuse à l’ensemble parce qu’on aura su trouver un point de
vue plus élevé permettant de le mieux embrasser . En attendant que ce but
soit atteint, le problème du quantum ne cessera de stimuler et de féconder la
recherche scientifique. L’importance qu’il aura eue pour l’approfondissement de
notre savoir en physique sera mesurée à la grandeur des difficultés qui auront
dû être surmontées pour arriver à la
solution. »[2]
La mécanique quantique actuelle n’a su trouver le point de vue
plus élevé nécessaire pour dominer ce problème. Il est très probable que ce
n’est pas faute de l’avoir tenté mais que, enfermés dans le cadre étroit de
leurs postulats, les physiciens quantistes n’ont pu sortir du dilemme posé par
Planck.
Il était donc nécessaire de chercher ailleurs, par une autre voie
que celles définies par Bohr et ses disciples. Il faut remarquer que ce n’est
pas la notion de quantum qui doit être remise en cause. C’est uniquement la
forme de ce quantum. Doit-on le concevoir comme un corpuscule ponctuel ou comme
quantité d’un quelque chose qui s’étale dans le temps et dans l’espace ?
Comme on le verra dans ce qui suit, une réponse simple est
possible[3].
Vos commentaires m’intéressent. Que vous soyez ou non
d’accord avec ces textes, faites le moi savoir. Je serais heureux d’en débattre
avec vous. Vous pouvez me joindre : ebraw@wanadoo.fr
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