Le photon est une particule qui porte une « énergie lumineuse » élémentaire. Théorisé par Albert Einstein en 1905, on l’appelle aussi « quantum d’énergie lumineuse ». Ces particules subatomiques sont absolument essentielles pour notre compréhension du monde de la physique, et notamment de la lumière, de l'électromagnétisme et d'autres phénomènes cosmiques.
On dit des photons qu’ils sont des particules élémentaires. C’est-à-dire qu’ils font partie des plus petits objets physiques dont sont constituées la matière et les forces de l’univers. Les particules élémentaires sont des paquets d'énergie caractérisés par une masse, le spin et d'autres notions comme la charge électrique.
Les photons en particulier sont des particules élémentaires sans charge électrique, dotée d'un spin de 1 et d'une masse nulle au repos. Ils font partie des acteurs principaux de la force électromagnétique, considérée comme l'une des quatre forces fondamentales de l'univers. Cette force gouverne les interactions électriques et magnétiques entre les particules. Cette caractéristique place les photons au cœur de la physique moderne et de nombreuses avancées technologiques. Mais pour comprendre le rôle crucial qu’a joué leur découverte et leur étude, il faut revenir aux origines de la lumière.
Pour expliquer ce qu’est la lumière, deux approches radicalement différentes voire opposées se sont affrontées depuis l’antiquité : la lumière est-elle une onde ou est-elle une particule ?
Les photons, en tant que particules lumineuses, incarnent donc la dualité onde-particule. Chacun d’entre eux possède une énergie proportionnelle à la fréquence de l’onde électromagnétique qui lui est associée. Les photons X ou les photons gamma ont par exemple une énergie importante qui leur permet de traverser la matière ou les tissus biologiques.
C’est à Albert Einstein que l’on doit la révélation de cette dualité. Car s’il n'a pas découvert les photons, il a révolutionné notre compréhension de leur comportement en 1905. Comment ? En expliquant un phénomène appelé l'effet photoélectrique. Lorsqu'une lumière (constituée de photons) frappe une surface métallique, des électrons peuvent être éjectés de cette surface. Cet effet était mal compris à l'époque.
Einstein a proposé que la lumière n'était pas seulement une onde, mais aussi composée de particules discrètes appelées "quanta" (ce que nous appelons aujourd'hui photons). Il a suggéré que la lumière est constituée de petits paquets d'énergie (photons) et que l'énergie de ces photons dépend de leur fréquence. Lorsque suffisamment d'énergie est apportée par les photons, les électrons contenus dans le métal sont éjectés.
Cette idée a eu un impact majeur sur le développement de la mécanique quantique, une branche fondamentale de la physique, et elle a valu à Einstein le prix Nobel de physique en 1921. Elle a aussi eu un impact majeur sur les applications pratiques des photons.
Le concept de photon a permis d’interpréter de nombreux phénomènes physiques et a conduit au développement de nombreuses technologies, de la photo au scanner en passant par le contrôle des bagages par rayons X, l’usage du laser en médecine et évidemment, le secteur de l’énergie solaire.
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