Quelle relation entre matière et lumière ?

Quelle relation entre matière et lumière ?

L’interaction lumière/matière est essentielle au sein de la physique, que ce soit dans notre perception de la matière au quotidien que pour ce qui concerne des phénomènes physiques plus complexes, notamment en microphysique. Elle est étonnante et contradictoire et mérite réflexion.

Rappelons que c’est l’étude de l’interaction matière/lumière par Planck et Einstein qui a entraîné une révolution de la physique, celle des quanta.

On se souvient que de la matière chauffée émet de la lumière en perdant ainsi de l’énergie thermique absorbée, que de la matière accélérée en émet aussi (ainsi que la matière qui décélère brutalement) car c’est ainsi qu’elle perd de l’énergie, que la matière absorbe la lumière puis en réémet (émission spontanée) en particulier elle en réémet quand elle en a absorbé (émission stimulée), que la radioactivité, provenant d’une instabilité de la matière, amène à l’émission de rayonnement (particules alpha), que l’essentiel de la lumière provient de la matière des étoiles. L’émission de lumière par la matière est caractérisée ainsi : lorsqu’un de leurs électrons passe d’un état quantique à un autre, les atomes émettent ou absorbent un photon dont l’énergie est exactement égale à la différence d’énergie entre l’état de départ de l’électron et son état d’arrivée. Rajoutons l’effet photoélectrique : la lumière arrache des électrons à la matière.

Lumière et matière ont des propriétés communes et des propriétés dissemblables. D’où cela provient-il et qu’ont-ils en commun ? Comment de la lumière peut-elle s’extraire de la matière ou y entrer ? Comment la matière peut-elle perdre de la masse ou de l’énergie qu’elle transforme en lumière ? Qu’échange-t-on entre matières en échangeant de la lumière et qu’échange-t-on entre matière et lumière ?

Déjà, il convient de rappeler que lumière et matière sont tous deux quantiques, qu’ils se comportent comme des paquets de grains, les quanta, contenant tous la même quantité d’un paramètre physique appelé « l’action » et qu’ils sont quantiques au sens qu’ils sont probabilistes et fondés sur la dualité onde/corpuscule.

Les physiciens Georges Lochak, Simon Diner et Daniel Fargue retracent ainsi dans « L’objet quantique » ce changement radical de conception de la matière et de la lumière : « L’hypothèse des quanta voulait dire cette chose étrange que le mouvement des atomes n’évolue pas continûment mais par bonds discontinus : comme si une fusée ne pouvait s’élever progressivement au dessus de la Terre vers n’importe quelle orbite et ne pouvait atteindre que certaines orbites particulières en sautant brusquement de l’une à l’autre. (...) Einstein avait émis en 1905, à, partir des travaux de Planck, une hypothèse encore plus paradoxale que la sienne : il suppose que si les atomes absorbent et émettent l’énergie lumineuse par paquets, par quanta, c’est que ces quanta se trouvent déjà dans la lumière autrement dit les ondes lumineuses continues transportent leur énergie sous forme discontinue, concentrée dans des corpuscules de lumière, qu’on appelle photons. »

Ce qu’ils ont en commun, c’est leur origine provenant du vide quantique. Ils apparaissent dans le vide, en émanent, y retournent.

Que trouvent-ils dans le vide quantique ? Eh bien de la lumière et de la matière aussi mais éphémère, et dite pour cela virtuelle car elle n’est pas directement perceptible à notre échelle (dite macroscopique).

Il faut également remarquer la tendance de la lumière à s’agglomérer (statistique de Bose) qui l’amène à être nommée bosons et la tendance de la matière de ne pas le faire (statistique de Fermi) qui l’amène à être appelée fermions. La tendance de la matière à ne pas s’agglomérer permet la stabilité de celle-ci et empêche la matière de se dissocier complètement ou de se concentrer complètement. Au contraire, la lumière se comporte en paquets de grains (photons).

On doit également remarquer que matière comme lumière sont des processus dialectiques qui sont des opposés dialectiques l’un de l’autre. Mais, en tant que tels, ils peuvent aussi se transformer l’un dans l’autre, ce que ne font jamais les opposés diamétraux…

De la matière peut se transformer en lumière comme dans le choc de deux particules suffisamment accélérées ou de la lumière se matérialiser. Cela montre que l’opposition entre matière et lumière n’a rien de diamétrale.

Par exemple, des photons qui ont une énergie moyenne supérieure à 1 MeV ont donc des énergies suffisantes pour réagir ensemble et former des paires d’électron-positron (anti-électron).

D’autre part, il faut souligner que les seules interactions matière/matière se font au travers de la lumière (bosons d’interaction). La matière ne perçoit une autre matière qu’au travers de ces bosons, donc de lumière. Par exemple, deux particules électriquement chargée interagissent (force électromagnétique) au travers de bosons lumineux.

Tout cela peut sembler des processus physiques très complexes comme la physique nucléaire ou la physique de l’électron et plus encore celle de l’atome et du noyau de celui-ci.

En fait, la réflexion sur l’interaction matière/lumière est posée dès l’étude de phénomènes aussi simples que la réfraction et la réflexion de la lumière à la traversée d’un changement de milieu matériel (modification d’indice lumineux).

En effet, un tel phénomène très simple et très courant pose très profondément l’ensemble des problèmes du caractère complexe et contradictoire dialectiquement du couple matière/lumière.

A la transition entre les deux milieux, une partie de la lumière est réfléchie (elle reste dans le premier milieu) et l’autre est réfractée (elle passe dans le deuxième milieu). Comme en physique quantique, c’est un phénomène probabiliste et on ne peut pas dire ce que chaque photon individuel va faire… Une partie de la lumière est renvoyée par effet miroir de la transition et le reste traverse le miroir. Lire la suite

Extrait de "Lumière et matière " de Richard P. Feynman :

"Commençons par observer les résultats d’une expérience de réflexion partielle. Si l’on envoie de la lumière monochromatique perpendiculairement à la surface d’un verre, 4% de celle- ci est réfléchie et 96% traverse la surface du verre. Phénomène curieux qui ennuyait déja Newton (qui considérait que la lumière était composée de particules). Comment les photons "décident"-t-ils d’aller en A ou en B ? " L’expérience devient encore plus étrange si on observe la réflexion sur les deux lames strictement parallèles d’une lame très mince..."

Quand la particule (ou l’atome) émet du rayonnement électromagnétique, d’où vient le photon (grain de lumière) dans la matière, à quel endroit pouvait-elle être stockée dans la particule ou l’atome et dans quel lieu peut-elle être stockée quand la lumière est absorbée par la matière ?

Quand la lumière est réfractée ou réfléchie, comment sait-elle si elle doit être l’un ou l’autre et quel niveau interne à la lumière rétroagit avec celle-ci pour lui indiquer le passage d’un milieu à un autre, d’un indice lumineux à un autre ?

Quels sont les mécanismes de la matière permettant ce type de phénomène ou encore l’émission de particules alpha de rayonnement lumineux dans le cas de la radioactivité naturelle ?

L’explication de ces phénomènes étranges ne s’est pas révélée possible si on considère la particule comme un élément unique, indépendant du milieu (le vide). En effet, elle réside dans le fait que le photon qui va quitter une particule (ou n’importe quelle matière) existait préalablement à proximité de celle-ci, dans une zone appelée le nuage de polarisation de la particule, c’est-à-dire une zone du vide quantique qui est polarisée par la présence de la particule. Dans cette zone les couples de particules et d’antiparticules peuvent être individualisés et s’accoupler avec d’autres particules. Toutes les particules qui existent à l’état réel sont aussi potentielles dans le vide quantique et on les appelle virtuelles. Lorsqu’elles forment des couples virtuels de particule et antiparticule, elles peuvent devenir des photons. Les deux états (réel et virtuel) ne sont pas dans une opposition diamétrale mais se transforment l’une dans l’autre. Si un photon communique son énergie à une particule, il disparaît parce qu’il devient virtuel. Si un photon virtuel reçoit de l’énergie de la particule, il devient réel et donc observable. Par exemple quand un électron atomique saute d’une orbite à une autre, il rend de l’énergie qui permet à un photon de devenir réel.

Tous les phénomènes étranges de la physique quantique sont ainsi interprétables par des phénomènes liés au vide quantique. La particule, objet élémentaire, est remplacée alors par un nuage de particules et d’antiparticules ainsi que de photons qui échangent sans cesse entre eux la propriété de masse matérielle et réelle.

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Pour aller plus loin sur matière et lumière…

Et aussi

Film sur les ondes de matière

Film sur les principaux phénomènes lumineux

Film sur atome et lumière
Film sur réfraction et réflexion de la lumière

Film sur une autre interaction matière/lumière : le refroidissement d’atomes par des faisceaux laser

Film sur la physique quantique

Film : les conférences de Richard Feynman

Film : Lumière et matière, la physique quantique en action

Film : Quand l’électron émet des photons