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¿Qu’est que la lumière ?

¿ Qu’est que la lumière ? 

Barry R. Masters

[2015/03/26, Traduit en français par Yezid Torres et révisé par Daniel Courjon] 

La lumière c’est si simple et en même temps si complexe. Qu’est- ce donc que la lumière?


Liste de lectures suggérées

"Et Dieux dit : que la lumière soit et la lumière fut." Genèses 1: 3

 

"Pour le reste de ma vie, je vais réfléchir sur ce qu’est la lumière." Albert Einstein, près de 1917

 

"Ces cinquante ans de rumination consciente ne m’ont pas rapproché de la réponse à la question : que sont les quanta lumineux ? Aujourd’hui, le premier gredin venu croit qu’il sait ce qu’ils sont, mais il se leurre " Albert Einstein, 1951

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Aurores boréales, par Kshitijr96 [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons.

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L'oeil est un détecteur de photons. Par Woodwalker (propre œuvre) [CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], via Wikimedia Commons.

La lumière est une condition préalable pour la vie, car elle est la source ultime de l'énergie dans nos aliments. La lumière est liée étroitement à la religion, aux récits de la création, à la poésie, à la littérature, à la langue et à la culture. La lumière c’est la beauté de l’atmosphère comme le lever et le coucher du soleil, l'arc en ciel, les aurores boréales et les aurores australes. La lumière est une condition préalable à la vision; en fait, les théories de la lumière et de la vision ont une histoire imbriquée datant de philosophes grecs et arabes. La vision nécessite la lumière et des dispositifs optiques tels que les lunettes, lentilles de contact, et la chirurgie réfractive au laser peut améliorer l'acuité visuelle. La lumière peut diagnostiquer et traiter les maladies oculaires.

La lumière est détectée par son interaction avec les électrons situés dans les atomes ou les molécules grâce aux photorécepteurs de la rétine mais aussi au moyen de détecteurs à semi-conducteurs de nos caméras. Les couleurs enrichissent notre environnement, stimulent et enchantent les gens dans tous les pays, et ajoutent de la beauté à nos maisons, nos villes et nos vies. La lumière du soleil, des clairs de lune, des étoiles ajoutent de la beauté et de l'émerveillement à tous les peuples de la terre. La lumière est le fondement de notre monde moderne; sa production, sa manipulation, son transport et la détection sont partie intégrante de notre communication, nos procédés de fabrication, les dispositifs médicaux, l'art, tels que les spectacles basés sur des effets lumineux, de l'instrumentation biotechnologique, des programmes éducatifs et l'instrumentation des laboratoires pour l'avancement de la science et de la technologie. La lumière est une source d'information sur la création de l'univers, sur les processus photophysiques dans les étoiles et sur la nature universelle des lois physiques dans tout l'univers. La lumière à travers l'outil de la spectroscopie, conduit à notre connaissance théorique et expérimentale de la structure des atomes et des molécules. La lumière et son interaction avec la matière a conduit à la découverte et au développement de la mécanique quantique. La lumière a nourri l’esprit des poètes et des philosophes (à partir du cinquième siècle avant notre ère), des artistes, des scientifiques et des ingénieurs. Aujourd'hui, la lumière relie les gens de cultures différentes à travers toutes les nations de la planète. La lumière fascine, stimule, et nous relie. Les enfants sont émerveillés par la façon dont la lumière du soleil est concentrée par une loupe pour allumer un feu. Les gens sont étonnés quand ils regardent dans un télescope ou un microscope et voient l’infiniment petit et le cosmos.

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Gauche: Croquis de la galaxie du Tourbillon tel que vu par le télescope château de Birr (télescope à réflexion de 1,8 m) par Lord Rosse en 1865. 2005 NASA / ESA image numérique, combinaison d'une image au sol à partir du télescope Kitt Peak National Observatory de 0,9 m, et une image spatiale du télescope spatial Hubble (centre), et la galaxie dans la poussière infrarouge (à droite).

Historiquement, la lumière peut être comprise comme une onde, comme une particule quantique, et comme un champ quantique. Compliqué ? Oui ! En effet, la question "Qu'est-ce que la lumière ?" est souvent laissée de côté, on préfère répondre à la question "Comment la lumière se comporte ? " Plus précisément, à la question "Qu'est-ce que la lumière ? " est souvent substitué : "Comment la lumière se propage et interagit avec la matière ?" Dans cet essai, je soulignerai certaines des origines conceptuelles clés du dualisme onde-particule et des théories de l’interaction lumière-matière au début du XXe siècle.

Dans cette contribution, j’analyserai les contributions d'Albert Einstein à notre compréhension de la nature de la lumière et de ses interactions avec la matière. Les théories d'Einstein de la relativité et de leur confirmation expérimentale l’ont rendu très populaire dans le monde entier ; mais ses contributions dans le domaine de l'optique ont transformé notre compréhension de la lumière, ainsi que notre capacité à la manipuler pour les applications dans un large éventail de domaines, dont la médecine, les télécommunications, la photonique et la recherche expérimentale sur la physique de base par l'intermédiaire des condensats de Bose-Einstein. Son travail sur l'émission stimulée a contribué au développement du laser, un dispositif qui transforme notre monde. Les publications d'Einstein sur la lumière ont influencé à la fois Louis de Broglie et Erwin Schrödinger et, ont conduit à l'invention de la "mécanique ondulatoire". Einstein a comblé l'écart entre la propagation du rayonnement dans l’espace et les interactions rayonnement-matière. Entre les années 1905 et 1916, Einstein a analysé l'interaction entre la lumière et la matière par l'absorption et l'émission de quanta de lumière, ce qui a permis d’expliquer plusieurs phénomènes physiques: la règle de Stokes de la fluorescence, l’ionisation du gaz par la lumière ultraviolette et l'effet photoélectrique. Dans l'effet photoélectrique, un rayonnement à une fréquence de seuil est projeté sur une surface métallique provocant l’éjection des électrons; ce principe est utilisé dans des détecteurs de lumière tels que le tube photomultiplicateur. L'hypothèse d'Einstein d'émission induite ou stimulée est la base du fonctionnement du laser.

 

Les premières expériences sur les interactions lumière-matière

Il est à la fois, intéressant et instructif d'étudier les antécédents de travail d'Einstein sur les interactions lumière-matière. En 1887 Heinrich Hertz généra, détecta et caractérisa des ondes électromagnétiques progressives, il observa que la lumière ultraviolette incidente sur l’éclateur du résonateur accroit la capacité à déclencher l'étincelle. Son assistant, Wilhelm Hallwachs, confirma et élargit ce constat en 1888, quand il démontra que le rayonnement ultraviolet permettait aux métaux neutres d'acquérir une charge positive. En 1899 Joseph J. Thomson étudia l'effet du rayonnement ultraviolet sur la production de "corpuscules" [électrons] d'une plaque de métal à l'intérieur d'une ampoule de Crookes. Thomson mesura l’augmentation du courant de la plaque en fonction de la fréquence et de l’intensité du rayonnement. Il fut le premier à indiquer dans une publication que le rayonnement ultraviolet avait induit un effet photo-électrique par émission d'électrons. En 1902, Philipp Lenard qui travaillait à l'Université de Kiel démontra que le rayonnement de courte longueur d'onde d’une lampe à arc de carbone incident sur la surface d'un métal produisait une émission d'électrons. Le nombre d'électrons éjectés, (mais pas leur énergie cinétique), augmentant avec l'intensité lumineuse. En dessous d'une certaine fréquence de rayonnement ils ne sont pas émis. Lenard a également observé que l'énergie cinétique maximale des électrons émis était indépendante de l'intensité du rayonnement incident, mais qu’elle augmentait avec la fréquence du rayonnement incident ; Il mesura en particulier les effets de trois fréquences différentes de la lumière ultraviolette sur l'émission d'électrons à partir d'une plaque d'aluminium.

Les quanta de lumière d'Einstein

En 1905, Einstein publia un document révolutionnaire "Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière", dans lequel il déduisit de la thermodynamique statistique de Boltzmann, que l'entropie du rayonnement décrite par la loi de distribution de Wien avait la même forme que l'entropie d'un gaz de particules élémentaires ou quanta d'énergie, où chaque quanta est proportionnel à la fréquence de l'onde correspondante. Einstein écrivit: "un rayonnement monochromatique de faible densité (Dans le domaine de validité de la expression du rayonnement du corps noir de Wien [valable pour for / kT <<1]) se comporte dans un sens thermodynamique, comme s’il agissait de quanta de rayonnement mutuellement indépendants de grandeur [],” où le symbolel h est la constante de Planck, T la temperature, k la constante de Boltzmann Kelvin et ν la fréquence de la lumière. En outre, "Quand un rayon de lumière se propage à partir d'une source ponctuelle, l'énergie ne se distribue pas de manière continue dans un volume toujours plus grand, mais se compose d'un nombre fini de quanta d'énergie qui sont localisés à des points particuliers dans l'espace, se déplaçant sans se fragmenter et ne pouvant être absorbée ou générée qu’en tant qu'entité complète." Parallèlement, Einstein utilisa les mots, « quanta d'énergie » (Energiequant) et « quanta de lumière » (Lichtquant). Ce concept d'énergie discontinue dans le rayonnement contredit la théorie ondulatoire continue du rayonnement des ondes électromagnétiques progressives (théorie de Maxwell). Une décennie plus tard, en 1916, Einstein discuta du moment et de la masse dans le cas où le quantum de lumière est au repos dans sa publication : "Emission et absorption du rayonnement dans la théorie quantique", Deutsche Physikalische Gesellschaft. Verhandlungen 18, 318.

Le photon

Le physicien chimiste américain Gilbert N. Lewis proposa le terme "photon" dans un article publié dans la revue Nature en 1926. "Il semble inapproprié de parler d'une de ces entités hypothétiques comme une particule de lumière, un corpuscule de lumière, lumière quantique ou quanta de lumière, si nous sommes prêts à assumer qu'il dépense seulement une fraction de minute de son existence, en tant que support de l’énergie rayonnante tandis que le reste du temps, il reste un élément structurel important au sein de l'atome ... Je prends donc la liberté de proposer pour ce nouvel atome hypothétique qui n’est pas la lumière, mais joue un rôle essentiel dans tout processus de rayonnement le nom de photon.". Après que Lewis ait proposé le terme "photon" en 1926, de nombreux physiciens l’adoptèrent comme nom pour le Quantum de lumière d'Einstein. Cependant, la conception de Lewis du photon était complètement différente de celle d’Einstein. Comme l'a découvert H. Kragh, le nom de photon a été proposée au moins par quatre scientifiques avant 1926. Ce qui reste du photon de Lewis valide, est sa dénomination. D'autres aperçus historiques se trouvent dans la publication "Anti-photon." de W. Lamb en 1995.

L’hypothèse des quanta de lumière d'Einstein explique l'effet photoélectrique.

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Albert Einstein 1921 par F. Schmutzer Publique Domain

Einstein appliqua son concept de quantum de lumière pour expliquer l'effet photoélectrique, que la théorie ondulatoire de Maxwell ne pouvait expliquer. Einstein écrivit: "Si un rayonnement monochromatique se comporte ... comme si le rayonnement était un milieu discontinu constitué de quanta d'énergie de grandeur , il semble raisonnable de vérifier si les lois régissant l'émission et la transformation de la lumière sont également valides si l’on suppose que la lumière est composée de ces quanta d’énergie. ". Einstein supposa que la lumière interagissait avec la matière par l'émission ou l'absorption de son quantum de lumière, et il supposa un nouveau mécanisme pour ce phénomène déconcertant. Einstein décrivit la théorie de l'effet photoélectrique comme suit : les quanta de lumière pénètrent dans la couche superficielle de la matière et leur énergie est convertie en énergie cinétique des électrons; un quantum de lumière transfère toute son énergie à un seul électron. Il écrivit: "un électron à l'intérieur du corps aura perdu une partie de son énergie cinétique au moment où il atteint la surface." En outre, il supposa que l'électron à la surface du métal devait effectuer un travail (en fonction de chaque matériau, appelé la fonction de travail), pour surmonter les forces d'attraction qui le maintiennent à l’intérieur de la matière, afin de quitter la surface; l'énergie cinétique maximale de ces électrons est ΦEn notation moderne: eV=Φ, est la charge de l'électron et V est lepotentiel retardateur nécessaire pour arrêter les photoélectrons plus rapides. Ceci est la première équation dans la théorie quantique des interactions rayonnement-matière. La confirmation de l'effet photoélectrique, postulé par Einstein fut vérifié en 1912, quand Arthur L. Hughes mesura la vitesse maximale de photoélectrons de divers métaux et vérifia l'équation photoélectrique d'Einstein.

La première confirmation de l'hypothèse quantique, dans un domaine de la physique autre que celui du rayonnement, eut lieu en 1907 quand Einstein expliqua et démontra que la quantification de l'énergie peut être appliquée à la matière condensée. Einstein expliqua la dépendance anormale de la chaleur spécifique des solides (qui diminue avec une baisse de la température) par la modélisation d'un solide comme un réseau d'oscillateurs quantifiés. La formule d'Einstein était en bon accord avec les résultats expérimentaux fournis en 1910 par Walther Nernst et son assistant Frederick A. Lindemann.

Lors de la remise du Prix Nobel de physique à Einstein en 1922, fut cité son article de 1905 sur l'effet photoélectrique : "Pour ses services à la physique théorique, et surtout pour sa découverte de la loi de l'effet photoélectrique". Au moment où Einstein développa sa théorie de l'effet photoélectrique, beaucoup de physiciens éminents tels que Max Planck, Hendrik A. Lorentz, Max von Laue, Wilhelm Wien, et Arnold Sommerfeld ne pouvaient accepter sa théorie quantique de la lumière, car ils s’appuyaient sur le phénomène d’interférence de la lumière, cohérent avec les phénomènes ondulatoires. Aussi bien Planck que Lorentz acceptèrent que le rayonnement interagisse avec la matière dans un processus quantifié, mais refusèrent la notion de quantum individuel de lumière se propageant comme une onde. Une exception notable fut Johannes Stark qui en 1909 proposa la notion de quanta d'énergie localisée dans les rayons X, et il soutint également l’hypothèse quantique de la lumière d'Einstein. Einstein, lui-même se rendit compte que son hypothèse devait être soit validée soit réfutée expérimentalement et en 1911, lors du congrès Solvay il déclara: "J'insiste sur le caractère provisoire de ce concept [quanta de lumière].". En 1921, Maurice de Broglie rapporta à la troisième Conférence Solvay à Bruxelles que son analyse de l'impact des rayons X sur la matière et les éjections secondaires d'électrons pourraient s’expliquer par l'hypothèse que les rayons X auraient aient une énergieh. Son frère, Louis de Broglie s’appuyant sur les papiers d'Einstein sur la lumière et s’appuyant sur le concept de quanta de lumière d'Einstein, en déduisit sa théorie des "ondes de matière". Erwin Schrödinger se basa sur les déductions de Louis de Broglie pour introduire la "mécanique ondulatoire".

Le scepticisme et la validation expérimentale a posteriori des quanta de lumière d’Einstein

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Condensat de Bose-Einstein. Distribution des vitesses (3 vues) pour un gaz d'atomes de rubidium, confirmant la découverte d'une nouvelle phase de la matière, le condensat de Bose-Einstein. À gauche: juste avant l'émergence d'un condensat de Bose-Einstein. Au milieu: juste après l'apparition du condensat. À droite: après plus d'évaporation, laissant un échantillon de condensat NIST / JILA / CU-Boulder - NIST Image de Publique Domain

En 1916 Robert A. Millikan vérifia expérimentalement la théorie photoélectrique d'Einstein avec une grande précision, étendant les expériences précédentes de Lenard. Millikan montra que l'énergie cinétique maximale des électrons émis est proportionnelle à la fréquence de la lumière. Ses courbes de potentiel d'arrêt lors de la photoémission en fonction de la fréquence du rayonnement incident suivaient la dépendance linéaire prédite par Einstein et pour différents métaux, les valeurs deh étaient toujours égales à la valeur calculée par Planck dans son article de 1901. Millikan montra également que le nombre de photoélectrons était proportionnel à l'intensité du rayonnement. Néanmoins, il rejeta le postulat des quanta de lumière d'Einstein. Ce n’est qu'après 1923, lorsque Arthur Holly Compton et indépendamment, Peter Debye publièrent leurs articles sur la dispersion des rayons X par des électrons, basée sur l'hypothèse du quantum de lumière d'Einstein, que la communauté des physiciens accepta les quanta de lumière d'Einstein. Compton étudia les rayons X et la dispersion des rayons γ par des éléments légers. Sa théorie de 1923 montra que l'énergie du quantum diffusé est inférieure à celle du quantum incident, et la différence correspond à un accroissement de l'énergie cinétique de recul de l'électron diffusé. Compton dériva une équation reliant la longueur d'onde du faisceau diffusé à l'angle θ entre les faisceaux incident et diffusé. Un quantum de rayons X de fréquence ν  est diffusé par un électron de masse m. L'électron de diffusion est supposé être initialement au repos; après la collisionavec le quanta du rayonnement, l'électron recule. Il obéit au principe de conservation de l'énergie et du moment durant le processus de diffusion et il dériva son équation de diffusion par le changement de longueur d'onde des rayons X:

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Compton valida sa théorie avec une série de mesures précises et écrivit: "Le magnifique accord entre les valeurs théoriques et expérimentales de la diffusion est plus que frappant ... Il n’est pas nécessaire d’introduire de constante d’ajustement pour relier les deux ensembles de valeurs." Il constata que l'accroissement de la longueur d'onde était indépendant de la longueur d'onde incident. Compton conclut : "La diffusion des rayons X est un phénomène quantique." En outre, "... la théorie indique d’une manière très convaincante, qu’un quantum de rayonnement n’est pas seulement caractérisé par son énergie mais aussi par un moment dans une direction donnée."

La théorie d'Einstein de la dualité onde-particule

Les origines de la dualité onde-particule se trouvent dans l'article fondamental de 1909 d'Einstein, sur les fluctuations de l'énergie: "Sur l'état actuel du problème des radiations". Einstein calcula les fluctuations de l'énergie et du moment dans son analyse du mouvement brownien (1905), et il appliqua les méthodes analytiques au rayonnement du corps noir. Il généralisa sa théorie de 1905, sur la fluctuation des systèmes mécaniques (particules browniennes) au problème non mécanique du rayonnement du corps noir. Einstein examina les fluctuations d'énergie du rayonnement du corps noir contenue dans un volume partiel V d'une cavité isotherme à la température T. Partant de la loi de distribution du corps noir de Planck, il écrivit la variance des fluctuations énergétiques comme

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où < > représente la moyenne statistique, est l'énergie du rayonnement entre les fréquences, ν et ν+dν, et c  etcest la vitesse de la lumière dans le vide. Cette équation est connue comme la formule d'Einstein pour les fluctuations du rayonnement du corps noir. S’appuyant sur une approche mécanique statistique, il conclut que le premier terme du côté droit du signe égal se référait aux propriétés quantiques du rayonnement. Ce terme linéaire en énergie moyenne, correspondant à la limite des fréquences hautes pour lesquelles la loi de Wien est valide. Einstein aboutit à la conclusion que les fluctuations d'énergie du rayonnement étaient compatibles avec celles d’un gaz de particules indépendantes, c’est-à-dire des quanta de lumière, chacun ayant une énergie . De l'analyse dimensionnelle il conclut que le second terme du côté droit du signe égal, quadratique en l'énergie moyenne, traduisait l'interférence des ondes. Ce terme est obtenu dans le cas limite du rayonnement de faible fréquence. Einstein imagina le rayonnement à l'intérieur de la cavité comme composé de nombreux modes normaux avec des amplitudes, des phases et des états de polarisation différents, se propageant dans toutes les directions. Il postula que les fluctuations dans un volume partiel quelconque de la cavité, pouvait être dues aux interférences entre les différentes ondes planes. En 1909 Einstein écrivit "... la prochaine étape en physique théorique nous conduira à une théorie dans laquelle la lumière peut être interprété comme une sorte de fusion de la théorie ondulatoire et de l'émission ...".

La théorie d'Einstein de l'émission stimulée

Einstein, neuf ans après avoir conçu le quantum de lumière revint au problème de l'interaction lumière- matière, plus exactement, à l’étude des transitions entre les états d'énergie et au rôle des quanta de lumière dans ces processus. En 1916 il décrivit l'émission induite ou stimulée dans son article novateur: "L’émission et l’absorption du rayonnement dans la théorie quantique". Cet article est remarquable par l'introduction d'une approche probabiliste à la physique quantique. Il contenait les "Coefficients A et B d’Einstein" ou coefficients de probabilité, et sa prédiction du processus d'émission induite ou émission spontanée. À cette époque le concept de transitions énergétiques dans les atomes moyennée par l'absorption et l'émission de quanta de lumière, n’était pas acceptée de manière généralisée par la communauté des physiciens. La théorie de Bohr de l'atome d'hydrogène n’utilisa pas la notion du photon; en fait, Bohr rejeta cette notion jusqu'au début des années 1920. Notons que même Max Planck, reconnu comme le fondateur de la théorie quantique en 1900, n’accepta pas la réalité de la quantification jusqu'en 1913 lorsque Bohr quantifia les niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène.

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Le premier laser à rubis est désassemblé.

Einstein pensa que le champ de rayonnement pouvait entraîner une perte ou un gain d'énergie au sein des atomes. Il supposa un processus caractérisé par deux états atomiques d'énergie, supérieur et inférieur, et des transitions entre les deux états par absorption ou émission d'un photon d’énergie égale à leur différence d'énergie. Si un atome absorbe un photon alors son énergie électronique augmentera due à l’absorption de l'énergie du photon et l'atome sera dans un état d'énergie excité. Un atome dans l'état d'énergie excité pourra émettre un photon spontanément et sera désormais dans un état d'énergie électronique inférieur dit état d'énergie de base. L'énergie du photon émis sera égale à la différence d'énergie entre les états électroniques, c’est-à-dire, excité et de base. L’émission spontanée de l'état excité d'un atome peut se produire en l'absence du rayonnement incident ; dans l'émission induite ou stimulé, un atome dans un état excité interagit avec un champ électromagnétique, provoquant une transition électronique de l'état d'énergie excité à l'état d'énergie plus faible ; la différence d'énergie entre les deux états est transférée au champ électromagnétique. Le photon créé dans le processus est identique au photon du champ incident en termes de fréquence, phase, polarisation et direction de propagation.

Einstein considéra un ensemble d'atomes en équilibre thermique. Il supposa un processus entre des états d'énergie, supérieur et inférieur et des transitions entre les deux avec une absorption ou une émission d'un photon avec une énergie égale à la différence d'énergie entre les deux états. Le nombre d'atomes dans les états supérieur et inférieur sont constants. A l'équilibre thermique, le nombre d'atomes par unité de temps qui absorbent un rayonnement est égal au nombre d’atomes qui émettent le rayonnement.

Einstein fit une distinction entre deux types de transitions. La première est l'émission de radiation qui survient en l'absence de toute influence extérieure par analogie avec la loi de Rutherford de la désintégration radioactive. En termes modernes, c’est le processus d'émission spontanée, qui se produit lorsqu’aucun rayonnement externe n’est présent et se caractérise par "Le coefficient A d'Einstein". Le photon résultant peut être émis dans n’importe quelle direction de propagation. Le deuxième type de transition est dû à l'interaction entre les atomes et le rayonnement incident. Einstein supposa que l'effet du rayonnement incident était proportionnel à la densité du rayonnement et provoquait la transition entre les états. Einstein supposa également que le principe de réversibilité microscopique qui établit que le taux de transfert d'énergie d’états inférieurs à supérieurs doit être égal au taux des états supérieurs à inferieurs pour chaque transfert, peut être appliqué au rayonnement en équilibre. Einstein trouva qu’il était nécessaire que le processus d'émission stimulée ait lieu pour que les niveaux d'énergie d'un atome en équilibre avec le champ de rayonnement soient donnés par la distribution de Boltzmann et soient compatibles avec la loi du rayonnement de Planck. Si le coefficient d'Einstein pour l'émission stimulée "Le coefficient B d'Einstein" est nul, il n'y aura pas de distribution de Boltzmann des états à l'équilibre thermique. À l'équilibre thermique, le nombre d'atomes qui gagnent de l'énergie doit être égal au nombre d’atomes qui en perdent. Il en déduisit que les probabilités d'absorption et d'émission induite étaient égaux. Les coefficients d'Einstein sont indépendants de la densité du rayonnement.

Einstein suggéra prophétiquement, que les coefficients A et B pourraient être calculés si une nouvelleversion de l'électrodynamique et de la mécanique était envisageable en accord avec l'hypothèse quantique (une nouvelle mécanique quantique). Cette prédiction fut accomplie en 1927, lorsque Dirac utilisa sa version de la mécanique quantique pour obtenir tout d’abord le coefficientBd'Einstein et ensuite le coefficientAd'Einstein (émission spontanée).

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Génération de supercontinuum dans une fibre à cristaux photoniques. Courtoisie de J. Dudley, président du Comité directeur de l'Année Internationale de la Lumière 2015.

La vérification expérimentale du concept d'Einstein, d'émission stimulée survint plusieurs décennies après qu’il l’ait prédit théoriquement. Bertolotti proposa une explication pour ce long retard dans son article: Pourquoi le laser a été inventé si tard?  Voir la lettre d'information CIO, Janvier 2010, Numéro 82. En 1954 Gordon, Zeiger et Townes inventèrent le maser (amplification des micro-ondes par émission stimulée du rayonnement) qui fonctionnait dans la gamme des micro-ondes. En 1960, Theodore H. Maiman produisit une émission stimulée dans un cristal de rubis composant du premier laser. Le prix Nobel 1964 de physique fut partagé par Charles H. Townes, Nicolay G. Basov et Aleksandr M. Prokhorov pour leur travail indépendant sur le laser (amplification de la lumière par émission stimulée du rayonnement).

Cependant la question demeure: Qu'est-ce que la lumière ? Einstein a conçu le photon comme undu champ électromagnétique avec une fréquence ν, un vecteur d'onde k, une énergie , et un moment ħk. C'est une particule de masse nulle au repos, elle possède un spin unitaire, et deux états de polarisation. En 1924, Einstein écrivit: "les résultats positifs de l'expérimentation de Compton prouvent que le rayonnement se comporte comme s'il consistait en projectiles d'énergie discrets, non seulement en ce qui concerne le transfert de l'énergie, mais aussi, en ce qui concerne le transfert du moment.". Donc, après toutes ces années, nous revenons aux déclarations: "Radiation ... ... se comporte comme si elle consistait en ...", des déclarations n’expliquant pas ce qui est la lumière. Mais plutôt comment la lumière se comporte. Même si nous n'avons pas répondu à la question d'origine, notre compréhension accrue de la nature de la lumière, a ajouté de la beauté dans nos vies et, notre monde a été transformé. Merci pour la lumière.

Barry R Masters, Independent Scholar, Cambridge, MA, USA

 

 


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Le Professeur Barry R. Masters a obtenu un doctorat de l'Institut des sciences Weizmann, en Israël, un MS de l'Université Florida State University et un diplôme BS de l'Institut polytechnique de Brooklyn. Professeur Masters a été scientifique invité au Département de Génie Biologique à l'Institut de Technologie du Massachusetts, chercheur invité au Département d'Histoire de la Science à l'Université Harvard, professeur invité au Département d'Ophtalmologie de l'Université de Berne, et professeur en Anatomie et Biologie Cellulaire à l'Université des Services Uniformes des Sciences de la Santé. Il est membre de l'Association Américaine pour l'Avancement de la Science (AAAS), la Société Américaine d’Optique (OSA), le SPIE. De 1999 à 2000 professeur Masters était un membre de l'AAAS, Congressional Science & Engineering et a servi comme adjoint législatif au Congrès des États-Unis. Il est lauréat du prix Vogt pour la recherche ophtalmique (plus haute distinction suisse pour la recherche en ophtalmologie) avec le Dr. Böhnke en 1999 pour leur travail dans: "La Microscopie Confocale de la Cornée". Le Professeur Masters a publié 86 articles de recherche à comité de lecture et 143 chapitres de livres et articles de mémoire d’évents scientifiques. II est l'auteur ou l'éditeur de 10 livres: Noninvasive Diagnostic Techniques in Ophthalmology; Confocal Microscopy and Multiphoton Excitation Microscopy: the Genesis of Live Cell Imaging; Handbook of Biomedical Nonlinear Optical Microscopy (avec Peter So). Il écrit actuellement un nouveau livre qui sera publié par Cambridge University Press: Superresolution Optical Microscopy: The Quest for Enhanced Resolution and Contrast. IL donne des conférences dans le monde entier sur la conduite responsable de la recherche, l'éthique biomédicale, la pensée critique, et la photonique biomédicale.

 


International Commission for Optics

Bureau members (2014-2017):

President: Y. Arakawa;
Past-President: D. T. Moore;
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Secretary: A M Guzmán, CREOL, The College of Optics and Photonics, University of Central Florida, PO Box 162700, 4000 Central Florida Blvd,Orlando, FL 32816-2700, USA; e-mail angela.guzman@creol.ucf.edu
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IUPAP Council Representative: C Cisneros

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A. M. Guzmán

Editorial committee:

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J Dudley, Université de Franche-Comté, France;
William T Rhodes, Florida Atlantic University, USA.