Bonjour Horace,
Importante et interessante question!
Pour comprendre exactement ce qu'un physicien entend par *un photon*
il faut en realite aller apprendre un peu de theorie quantique des
champs. Si tu as un background en physique je te conseille d'aller
consulter un cours en ligne tres agreablement ecrit appele
*Rayonnement Quantique* ecrit par Alain Laverne que tu trouveras ainsi
que beaucoup d'autres cours tres interessants sur la page de l'ecole
doctorale de physique de Paris 6
http://www.lpthe.jussieu.fr/DEA/Ecole.Doctorale/
Je pense qu'on doit pouvoir trouver egalement des ouvrages de
vulgarisation sur le pourquoi et comment de la TQC mais je n'en ai pas
immediatement en tete.
Alors je vais essayer d'etre schematique. Mais si ca ne te parait pas
clair, n'hesite surtout pas a poser toutes les questions que tu veux.
Pour faire un rappel historique eclair, si on retourne vers le debut
du 20e siecle, les physiciens avaient la theorie de
l'electromagnetisme (qu'on appelle electrodynamique), *classique* mais
ca on le savait pas encore :), et la mecanique quantique. Ils etaient
contents. Ils avaient un bon modele pour l'atome ce qui est deja pas
mal. Puis ils ont essaye de decrire le comportement de l'atome sous
l'influence d'un champ electromagnetique exterieur. En mecanique
quantique, pour etudier un systeme il faut se donner un objet qu'on
appelle le Hamiltonien, qu'on note H. Il suffit de le mettre dans
l'equation de Schrodinger et la resoudre (je ne dis pas que cette
etape est facile) pour repondre a toutes les questions que tu veux
pour decrire le systeme. Alors les physiciens ont essaye et pu ecrire
un Hamiltonien qui incorporait l'influence et les symetries du champ
electromagnetique classique (l'invariance de jauge). Une fois
satisfait avec H, il faut se mettre a etudier l'evolution du systeme.
On peut alors se rendre compte que le champ electromag, pour des
valeurs bien precises de la frequence \nu (des resonnances), est
capable de faire transiter l'atome entre deux niveaux d'energie E1 et
E2 selon la formule bien connue E2-E1=h\nu. C'est ce qu'on appelle
l'*excitation stimulee*. Le champ electromag *incite* l'atome a
changer d'etat. Il est important de noter que jusqu'ici le champ
electromag est purement classique, on ne parle pas de photon mais
juste d'onde. Youpi, c'est genial on peut decrire l'excitation
stimulee et on a meme pas pense une seule seconde a un truc qui
s'appelerait un photon. Bon. Maintenant est-ce qu'on s'arrete la ? Non
bien sur, car experimentalement il y a des choses qu'on ne sait pas
decrire. Quoi ? et bien par exemple si tu vas consulter le cours que
je t'ai indique il parle p54/55 de la *resonance optique*: si je
m'amuse a eclairer des atomes avec un faisceau lumineux qui va dans
une direction, je me rend compte en fait qu'apres avoir traverse mon
tas d'atome, la lumiere est un peu moins intense et qu'en
contre-partie une lumiere de meme frequence est emise dans d'autres
directions. Cette derniere lumiere est issue des atomes eux-memes.
Pourquoi n'arrive-t-on pas a la decrire dans le cadre du modele
precedent ? Et bien tout simplement parce que par definition du modele
d'avant je t'ai dit que pour ecrire H il fallait se donner un certain
champ electromagnetique, mais ce champ est fixe *une fois pour
toutes*, quelle que soit l'evolution quantique de l'atome le champ
electromag classique est par definition suppose rester le meme au
cours du temps. Pourquoi ? Et bien parce que l'atome est *quantique*
et le champ, appelons E une fois pour toute, est *classique* et dans
la theorie classique du champ (champ et source classiques) on ne parle
jamais de cette situation alors on aurait bien du mal a predire son
evolution avec les equations de Maxwell! Pour resumer cela on dit que
notre modele d'interation est *semi-classique*. C'est un concept tres
important. On veut etudier un *petit* systeme, l'atome, mais complique
sous l'influence d'un *gros* champ E classique. Petit et gros ne sont
pas bien definis pour le moment mais l'idee c'est qu'il serait bien
etrange en premiere approximation qu'un seul atome ait une influence
enorme par exemple sur le rayonnement d'une bonne vieille lampe. Mais
si on va voir un peu plus loin, on se rend compte, par exemple dans
cette experience de resonance optique que l'atome, eh bien, il *a* une
influence mesurable. Et pour expliquer cela il va bien falloir
admettre qu'un objet *quantique* comme l'atome peut avoir une
influence sur quelque chose qu'on a toujours considere comme purement
classique: le champ. Et la il faut necessairement construire une
nouvelle theorie quantique pour le champ electromagnetique: cela
s'appelle la Theorie Quantique des Champs (ca va vachement plus
serieux quand je met des capitales non? :)), ou TQC pour abreger.
Dans cette theorie, on va etre capable d'expliquer non-seulement
l'*influence du champ sur l'atome* (qu'on connaissait deja) mais aussi
l'*influence de l'atome sur le champ* qu'on ne savait pas expliquer.
En particulier on sera capable de comprendre ce phenomene etrange
qu'on appelle l'*emission spontanee* dont tout ceux qui ont fait une
terminale S ont entendu parler (c'est dans les nouveaux programmes non
?): si j'ai un atome dans un etat tres excite alors il est bien connu
qu'il va se *desexciter tout seul* en emmettant de la lumiere (c'est
le principe de la phosphorescence non?). Et bien ca par exemple on ne
peut pas l'expliquer dans le modele semi-classique mais on le peut
avec le formalisme plus puissant de la TQC. Il y a une quantite
innombrable aujourd'hui d'experiences qui valident la TQC, non
seulement d'ailleurs pour le champ electromagnetique mais egalement
pour les autres champs de la nature qui correspondent par exemple a
l'interation faible et l'interaction forte qui interviennent dans la
description du noyau mais c'est encore une autre histoire. J'insiste
seulement pour que vous ayez a l'esprit que la TQC est une theorie
extremement prolifique en physique et qui a donne lieu aux plus
spectaculaires confirmations experimentales. On peut donc speculer
longtemps sur *que se passe-t-il vraiment?*, *quelle est la nature
*profonde* du photon?*, mais il est absolument certain que la
*definition* que donne la TQC du photon aboutit a une description
absolument correcte de la nature et c'est la seule chose qui compte.
voila pour *pourquoi* la TQC. Par clarte je repond au *quoi* et
*comment* du photon dans un autre post.
Bien cordialement,
Yacine