photon

Dans une pièce ordinaire, la lumière disparaît instantanément dès qu'on éteint la lampe. Dans une minuscule cavité en nitrure de silicium, un photon peut rebondir entre les parois 80 000 fois avant de se perdre. C'est comme si une balle lancée dans une pièce rebondissait sur les murs presque sans perdre de vitesse.

Pour scruter plus profondément la structure du monde, les physiciens accélèrent des électrons et les font entrer en collision. Un électron ordinaire ressemble à une toupie qui tourne dans tous les sens. Pour des expériences fines, il faut des particules dont toutes les toupies pointent dans la même direction – c'est ce qu'on appelle la polarisation.

Une pierre jetée dans l'eau laisse des cercles qui s'étendent. Une onde gravitationnelle est une ondulation de même nature, mais dans l'espace-temps. Elle est produite, par exemple, par la fusion de deux trous noirs. En physique classique, cette ondulation est éternelle : une fois créée, elle traverse l'Univers sans s'atténuer.

En 2021, l'observatoire LHAASO a détecté des rayons gamma d'énergie supérieure à l'électron-volt-péta provenant de sources comme la nébuleuse du Crabe — un reste d'explosion de supernova au centre duquel pulse une étoile à neutrons.

Un surfeur glisse sur la surface de l'océan jusqu'à ce qu'une grosse vague arrive – et le voilà projeté vers l'avant. C'est à peu près ainsi qu'un électron libre interagit avec la lumière : en général, l'échange d'énergie est à peine perceptible, mais si le milieu environnant commence à osciller rythmiquement, chaque crête de vague pousse la particule de plus en plus fort.

Dans une lumière très faible, les photons arrivent un par un, comme les gouttes d'un robinet qui fuit — jamais par paires. Cet effet, prédit par Roy Glauber et confirmé par Leonard Mandel, prouve directement que la lumière est composée de particules.

Un billard bien étrange, si les boules n'avaient pas de masse. Elles ne se heurteraient pas, mais se traverseraient sans se soucier des obstacles. C'est à peu près à cela que ressemble la tentative de se représenter la lumière comme un flux de particules classiques – de petits corpuscules élastiques filant en ligne droite. Une nouvelle démonstration met un terme à cette image.

Comprendre l'effet photoélectrique — lorsque la lumière arrache des électrons à un matériau — c'est un peu comme apprendre à cuisiner sans recette. Les outils numériques viennent à la rescousse : les jeux donnent l'intuition, les simulations apportent la précision.

Une charge en mouvement accéléré émet généralement de la lumière — c'est un fait banal. Mais des physiciens ont découvert que si la charge glisse le long d'une trajectoire particulière, son rayonnement se comporte différemment.

La lumière du soleil frappe la matière, et chaque photon éjecte un électron. C'est l'ordre habituel, qui empêche les cellules ordinaires de convertir en électricité plus d'un tiers de l'énergie — le reste se dissipe en chaleur.

Dans le monde quantique, la lumière et la matière échangent constamment de l'énergie. Auparavant, on les décrivait de manière statique, comme des poses figées. La nouvelle approche suit la danse elle-même : les transitions entre les états, comme une succession continue de mouvements.

L'hydrogène est l'élément le plus abondant. Ses atomes sont comme des antennes : ils émettent et absorbent la lumière à des fréquences bien précises. Einstein avait prédit que l'espace-temps pouvait onduler — ce sont les ondes gravitationnelles.

Avant d'assembler un immense puzzle, il faut fabriquer les pièces en série – sinon l'image ne se forme pas. Dans les ordinateurs quantiques à fusion, ces pièces sont de minuscules paquets de lumière : les états ressources photoniques. On les fait entrer en collision et on les mesure pour tisser progressivement la trame de calcul.

Un trou noir ressemble à un coffre-fort parfait : tout ce qui y tombe disparaît sans laisser de trace. Mais dans les années 1970, Jacob Bekenstein et Stephen Hawking ont découvert que l'horizon porte une « étiquette » indélébile — l'entropie (une mesure de l'information cachée sur la matière…

Une balançoire ne se met à osciller que si on la pousse en rythme. Décalez légèrement vos poussées, et vos efforts sont perdus. C'est à peu près ainsi que la lumière interagit avec le noyau atomique : en général, un photon n'est absorbé que si son énergie correspond exactement à la différence entre les niveaux nucléaires.

Un flash d'appareil photo ordinaire dure des millièmes de seconde. Une impulsion attoseconde est un trillion de fois plus courte : pendant sa durée, la lumière parcourt une distance inférieure à la taille d'un atome.

Chaque automne, un rouge-gorge pesant à peine une noix quitte sa branche quelque part près de Saint-Pétersbourg et s'envole vers le sud, vers la Méditerranée, sans jamais consulter de carte. On pense que son œil abrite une boussole magnétique intégrée, et la pièce maîtresse de ce dispositif est la protéine cryptochrome 4a.

La lumière est le messager le plus rapide, mais elle ne sait pas attendre. Pour que les ordinateurs quantiques échangent des messages, il faut une mémoire qui attrape le photon et le retienne pendant que le destinataire se libère.

Une enveloppe postale ordinaire a une forme rectangulaire, et la lettre qu'elle contient ne change pas les propriétés de l'enveloppe. Avec les photons – les particules de lumière – la situation est différente : leur « forme » dans le temps peut varier, et cette forme porte en elle-même de l'information.

Une feuille ordinaire de phosphore noir ressemble à un gâteau en couches d'atomes. Si on l'éclaire avec une lampe classique, rien de particulier ne se produit : les électrons restent bien en place, comme des spectateurs dans une salle obscure. Mais une brève impulsion laser, durant des millionièmes de milliardième de seconde, secoue cette salle.

La lumière peut transporter l'information plus vite que n'importe quelle électronique. Mais habituellement, entre l'ordinateur et le laser se trouve un convertisseur numérique-analogique, un dispositif qui transforme les zéros et les uns en signaux électriques. C'est lui qui ralentit tout le processus. Le nouvel émetteur se passe de cet intermédiaire.

La lumière pousse généralement un atome tout droit, comme le vent pousse une voile. Mais si l'on tord le faisceau en tire-bouchon, le tableau change : l'atome peut s'envoler de côté, comme s'il avait été accroché par une roue en rotation.

Un robinet dont l'eau ne coule pas en jet mais strictement goutte à goutte — c'est ainsi que l'on peut décrire la source de photons uniques dont parlent les auteurs. Dans la lumière ordinaire, les photons volent en foule, comme l'eau d'un robinet ouvert.

Deux faisceaux laser de couleurs différentes tombent sur un cristal et, à l'intérieur, naissent parfois des triplés de particules de lumière, comme trois pièces qui sortent de la même fente d'un distributeur. Ce processus a été pour la première fois rendu suffisamment efficace : chaque seconde, on obtenait 11,6 triplés. Les faisceaux étaient vert et infrarouge invisible.

La nuit, dans une pièce sombre, le corps humain émet une lueur à peine perceptible. Cette lumière est si faible que seuls des instruments très sensibles peuvent la capter. Certains scientifiques ont pensé qu'une telle lueur émanant de la tête pourrait révéler le fonctionnement du cerveau — sans tomographes ni fils. Mais la vérification a montré autre chose.

La lumière dans une fibre optique est un flux de photons, et pour la communication quantique, il faut des photons uniques, que l'on peut envoyer un par un. Mais les faire sortir rapidement tout en les rendant indiscernables est un défi.

Dans un cristal de titanate de baryum règne un champ électrique interne — comme un aimant permanent, mais pour les charges. Quand une impulsion lumineuse le frappe, elle arrache des électrons qui se mettent à s'agiter, percutant les atomes.

Selon la mécanique ordinaire, l'électron dans l'atome devrait tourbillonner autour du noyau et s'y écraser rapidement — comme un surfeur qui perd de la vitesse et tombe de sa planche. Mais les atomes vivent des milliards d'années. Parce que le cosmos n'est pas vide. Même dans le vide absolu, une mer électromagnétique invisible clapote — le champ du point zéro.

La lumière est un flux de photons, et en temps normal, un photon n'a pas de moment magnétique : il n'est pas dévié par un aimant comme le sont les copeaux de fer.

Un point lumineux de la taille d'une molécule. On y fait passer un courant, et elle s'illumine comme une minuscule ampoule. Voilà à quoi ressemble l'expérience avec des molécules de colorant déposées sur une fine pellicule de sel. Lorsque le courant atteint la molécule, un électron lui cède de l'énergie. La molécule restitue aussitôt cette énergie sous forme de lumière.

La lumière n'est pas simplement un rayon, c'est une onde dont le champ électrique varie à une vitesse inimaginable pour nos horloges ordinaires. Jusqu'à présent, on ne pouvait mesurer ce champ qu'en un seul point, comme on mesure la température avec un seul thermomètre.

Le proton ne peut pas être vu comme une simple boule. Si on le frappe avec un photon, il peut absorber de l'énergie et passer dans un état excité — comme une cloche qui se met à sonner à une certaine fréquence après avoir été frappée.

Lorsqu'un rayon de soleil tombe sur une feuille, une course de relais s'engage à l'intérieur. L'énergie lumineuse passe d'une molécule de chlorophylle à l'autre jusqu'à atteindre le centre réactionnel, l'endroit où la chimie de la vie est déclenchée.

L'atome d'hydrogène est comme une minuscule horloge qui tique avec une précision dont les ingénieurs ne peuvent que rêver. Lorsqu'un électron saute entre ses orbites, il absorbe ou émet de la lumière à une fréquence strictement définie – c'est le « tic ».

Un flux d'électrons peut être comparé à un faisceau de pointeur laser : s'il diverge, la tache sur le mur s'étale rapidement. En laboratoire, des physiciens ont créé un faisceau si étroit qu'il restait fin sur une grande distance, comme le faisceau d'un bon pointeur.

Une feuille de graphène est un réseau d'atomes de carbone en forme de nid d'abeilles. Les électrons y filent si vite qu'on dirait qu'ils n'ont pas de masse, comme la lumière. Quand une impulsion laser puissante frappe cette feuille, les électrons reçoivent un coup de pied et commencent à accélérer.

Si l'on pouvait mettre la lumière en bouteille, les scientifiques auraient une chaîne de production idéale : une bouteille pour un photon, sans une goutte à côté.

Une impulsion laser pénètre dans une minuscule cavité en cristal transparent. À l'intérieur, la lumière rebondit entre les miroirs, et parfois un photon se divise en une paire : l'un part d'un côté, l'autre de l'autre. L'un devient le signal, l'autre une « sonnerie » qui annonce : le photon unique est prêt.

Le proton n'est pas une boule lisse, mais un enchevêtrement de particules plus petites en mouvement constant. Pour y voir à l'intérieur, les physiciens tirent des électrons sur le proton et observent comment ils rebondissent. Le nouvel instrument, le collisionneur électron-ion, fera cela avec une précision inédite.

La lumière dans un minuscule anneau, c'est comme l'eau dans un canal fermé : si le flux est trop fort, les parois se mettent à vibrer et le canal se déforme. Dans les micro-anneaux optiques, le rôle de l'eau est joué par un faisceau laser, et celui des parois par une piste cristalline plus fine qu'un cheveu.