Hubert Reeves

Les photons et la lumière

Émission du 12 mars 2006

Nous poursuivons notre inventaire à la Jacques Prévert des constituants de notre cosmos. Après avoir décrit les neutrinos et les quarks, nous parlerons aujourd'hui des photons, les particules de la lumière. La nature de la lumière est longtemps restée une énigme pour les chercheurs. Elle possède en effet des propriétés qui semblent parfaitement contradictoires.

• D'une part, la lumière se propage à partir d'une source comme une onde, à l'image des cercles concentriques quand on jette un caillou dans l'eau. Ce caractère ondulatoire de la lumière est bien confirmé par la coloration de l'arc en ciel et des bulles de savon …
• Mais, en d'autres circonstances, elle se comporte comme une mitrailleuse éjectant des bolides. La lumière exhibe alors un caractère granulaire, lançant des particules de lumière qu'on appelle photons. Ces photons peuvent être détectés et comptés un par un.

Grâce à la physique quantique, nous disposons aujourd'hui d'une théorie parfaitement satisfaisante du comportement de la lumière.

Cette théorie rend compte de sa double personnalité, à la fois ondulatoire et granulaire, même s'il nous est impossible de nous en faire une image. Mais il n'est peut-être pas étonnant que des phénomènes à des échelles si éloignées de nos perceptions habituelles persistent à nous paraître étranges.

Les photons sont des particules de masse nulle. Ils se meuvent — comme on peut s'y attendre — à la vitesse de la lumière. Les photons du rayonnement fossile ont voyagé près de quatorze milliards d'années avant d'être absorbés dans nos détecteurs. Pendant toute la durée de l'histoire du cosmos (Big bang, naissance des galaxies, formation du Système solaire, évolution de la vie sur la Terre …), ils filaient droit devant eux, imperturbables, affectés seulement par l'expansion de l'espace qui réduisait progressivement leur énergie.

Les photons ont un curieux rapport au temps. On peut dire que, pour eux, le temps n'existe pas. Si on pouvait leur attacher un chronomètre, on découvrirait qu'entre le moment où ils sont émis (leur apparition dans le cosmos) et le moment ou ils sont absorbés (leur disparition), il ne s'écoule, pour eux, aucun temps (durée zéro). Ce phénomène se retrouve chez toute particule voyageant à la vitesse de la lumière. C'est la Théorie de la relativité d'Einstein qui nous l'a révélé.

L'onde lumineuse est caractérisée par une longueur d'onde qui spécifie l'énergie du photon associé. Cela va du kilomètre, pour les ondes radio, au nanomètre (millionième de millimètre) pour les rayons gammas. À mi-chemin environ (autour du micron), on trouve la lumière visible à nos yeux : toutes les couleurs de l'arc-en-ciel.

L'espace interstellaire et intergalactique est rempli de photons de toutes énergies. Il y en a environ cinq cents par centimètre cube. La plupart viennent directement du Big Bang et, en quantité moindre, des milliards d'étoiles réparties dans les milliards de galaxies. Le cosmos est loin d'être vide …