photon.

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photon. n.m., grain élémentaire d'énergie lumineuse de la valeur h$, $ étant la fréquence
de la lumière et h la constante de Planck (qui vaut environ 6.10 -34 J.s).

Le photon comme particule.
Un photon est à proprement parler un « atome de lumière ». Le mot atome, qui en grec
signifie « insécable », est d'ailleurs plus approprié dans le cas du rayonnement que dans
celui de la matière (dont on sait bien que les atomes peuvent être encore divisés) : un
photon ne peut jamais être scindé en d'éventuelles parties. Cependant, le photon, comme
tout objet quantique, est susceptible d'« interférer avec lui-même ». On désigne par là le
fait suivant : si l'on réalise une expérience d'interférences optiques classiques (celle des
fentes de Young, par exemple, où l'on observe des franges dites d'interférence résultant de
la superposition des deux parties d'un même faisceau qui a été divisé par passage à
travers deux fentes) et que l'on abaisse la puissance de la source jusqu'à ce qu'elle
n'émette plus qu'un seul photon pendant le temps que dure l'expérience, on continue à
observer des franges d'interférence. Ce fait est à première vue surprenant, car un
raisonnement intuitif conduirait à penser que le photon est nécessairement passé soit par
l'un des trous, soit par l'autre, et qu'en conséquence on devrait voir sur l'écran
d'observation un seul impact, et certainement pas de franges. On ne peut expliquer
l'existence de ces dernières qu'en supposant que le photon possède, en dépit de sa
définition particulaire, des propriétés ondulatoires : une partie de l'onde associée au photon
passe par l'une des fentes, le reste par l'autre fente. C'est en ce sens que l'on dit que « le
photon interfère avec lui-même ».

Le photon comme onde.
Mais quelle est la nature de cette onde associée ? Il s'agit en réalité d'une amplitude de
probabilité, concept fondamental de la théorie quantique. L'amplitude de probabilité
associée à un objet quantique (ici à un photon) est un nombre complexe dont le carré du
module est égal à la probabilité de présence de cet objet dans l'état considéré. Certains
auteurs (Louis de Broglie par exemple) ont cherché à identifier cette amplitude de
probabilité avec le champ électromagnétique qui constitue la description classique (non
quantique) de la lumière. De fait, la relation entre champ et amplitude de probabilité est
beaucoup plus complexe. Elle l'est d'autant plus que le passage de la description quantique
de la lumière à sa description classique ne peut pas se faire sans référence au
comportement statistique des photons lorsqu'ils sont en groupe. On sait que les particules
quantiques se rangent dans deux classes : les fermions, qui ont pour caractéristique qu'un
même état physique ne peut être « occupé » par deux fermions à la fois, et les bosons
qui, au contraire, ont tendance à se regrouper tous dans le même état. Les photons
appartiennent à la catégorie des bosons. On comprend qu'ils puissent ainsi former,
lorsqu'ils sont en très grand nombre, une onde au sens classique du terme ; contrairement
aux fermions, qui tendent à s'isoler et gardent donc un caractère de particule jusque dans
le domaine classique, les photons, qui se regroupent tous dans le même état, et se
comportent tous de la même manière, peuvent donner l'illusion d'une structure continue.
Pourtant, tous les systèmes de bosons ne sont pas susceptibles d'une description en
termes d'ondes classiques : on montre que pour qu'il en soit ainsi il faut en outre que ces
bosons aient une masse nulle. Tel est le cas des photons. Cette valeur nulle de leur masse
détermine ipso facto leur vitesse. En effet, un des principaux résultats de la théorie de la

relativité restreinte est de limiter à une certaine valeur (nommée « vitesse de la lumière »
et notée c) la vitesse de tout objet, la limite c n'étant atteinte que pour les objets de
masse nulle. Les photons, les atomes de lumière, se déplacent donc... à la « vitesse de la
lumière ». Il faut noter que ce truisme n'en est un que pour autant que la masse des
photons est bien réellement nulle ; s'il s'avérait qu'elle ne l'était pas, les atomes de lumière
ne se déplaceraient plus à la vitesse de la lumière.
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