C’est dans votre manuel de physique, aller les chercher. Il dit que vous pouvez modéliser la lumière comme une onde électromagnétique ou vous pouvez modéliser la lumière un flux de photons. Vous ne pouvez pas utiliser les deux modèles en même temps. C’est l’un ou l’autre. Il est dit que, aller les chercher.

Voici un résumé probable de la plupart des manuels.

1. La lumière comme une onde: la Lumière peut être décrite (modélisée) comme une onde électromagnétique. Dans ce modèle, un champ électrique changeant crée un champ magnétique changeant., Ce champ magnétique changeant crée alors un champ électrique changeant et BOOM – vous avez la lumière. Contrairement à beaucoup d’autres vagues (son, vagues d’eau, vagues dans un stade de football), la lumière n’a pas besoin d’un médium pour « onduler”.

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Oh, c’est trop simple d’une explication? Comment à ce sujet?

ils sont une forme d’équations de Maxwell. Ils décrivent la relation entre le champ électrique et magnétique (bien surtout les deux derniers)., Si vous le souhaitez, vous pouvez utiliser le calcul vectoriel sur les équations ci-dessus, puis éliminer B pour obtenir:

C’est la forme de l’équation d’onde. Donc, les équations de Maxwell disent que la lumière est une onde.

2. La lumière comme particule: le manuel pourrait commencer par des preuves expérimentales de l’effet photoélectrique historique pour montrer que le modèle d’onde de la lumière ne décrit pas toujours ce qui se passe.

Il dira alors que nous pouvons modéliser la lumière comme des « choses” individuelles (certains livres disent en fait des particules et d’autres disent simplement des photons)., Ces « choses” ont une énergie qui dépend de la longueur d’onde de tels que:

Ici, h est la constante de Planck et λ est la longueur d’onde de la lumière et f la fréquence. Avec le modèle photon, une lumière plus vive produit simplement plus de photons par seconde.

la lumière est-elle une particule ou une onde?

la plupart des textes se terminent par quelque chose comme ceci:

« la lumière est-elle une particule ou une onde? C’est une question difficile – la réponse est que, dans certaines situations, la lumière se comporte comme une particule et dans d’autres, elle se comporte comme une onde.,”

Quel est le problème avec plusieurs modèles?

Nous avons toujours plusieurs modèles pour les choses que nous voyons. Cependant, ils sont différents de ce modèle de lumière onde-particule. Regardons quelques autres modèles.

élan. Lorsque vous commencez à regarder momentum, il est presque toujours (sauf dans le manuel génial Matter and Interactions) défini comme:

c’est génial. C’est simple et c’est utile., Cela va très bien avec le principe de momentum qui dit que la force nette sur un objet est le taux de changement de momentum. Bien sûr, vous pourriez aussi dire que c’est faux. Et si vous avez un proton se déplaçant à 90% de la vitesse de la lumière? Dans ce cas, vous ne pouvez pas utiliser cette définition de momentum avec le principe momentum. Au lieu de cela, vous devez utiliser ce modèle:

C’est gentil, non? Certaines personnes appellent cela « l’élan relativiste ». Cependant, j’aime appeler cela un élan simple., Mais qu’est-ce que cela a à voir avec deux modèles pour la lumière? Et si je voulais trouver l’élan d’un proton à seulement 10% de la vitesse de la lumière? Quel modèle devrais-je utiliser? La réponse dépend de la rapidité avec laquelle vous souhaitez calculer cela et de la précision de votre réponse. Oui, je sais que « rapide » est relatif.

Voici le tracé de l’impulsion du proton en fonction de la vitesse pour les deux modèles.

Vous pouvez voir qu’à des vitesses inférieures, les deux modèles conviennent., Plus le proton va vite, moins les deux modèles s’accordent.

gravité. Tout le monde connaît le modèle de la force gravitationnelle, Non? Vous pouvez l’écrire comme ceci:

Non. Ce qui est mauvais. Ce modèle ne fonctionne que lorsqu’il est proche de la surface de la Terre. La force gravitationnelle est:

C’est toujours mal, mais en mieux. Cependant, nous n’utilisons pas souvent le meilleur modèle pour la force gravitationnelle près de la surface de la Terre. Pourquoi? Parce que le modèle mg fonctionne assez bien., En outre, les deux modèles s’accordent sur la surface de la Terre tout comme les deux expressions pour l’élan du proton s’accordent pour des vitesses « lentes”.

la Mécanique Quantique. Je vais ignorer beaucoup de détails très intéressants, mais laissez-moi juste dire que je peux utiliser le modèle suivant, le comportement d’un super minuscule particule dans une boîte. Voici un article plus ancien avec la plupart des détails de la particule dans une boîte. Faites-vous plaisir avec ça.,

Ou peut-être vous voulez l’écrire comme ceci:

C’est l’équation de Schrödinger et Ψ est appelée la fonction d’onde. Cela ne vous donne rien que vous pourriez mesurer directement, mais vous pouvez en obtenir la densité de probabilité – ou une description de l’endroit où une particule est susceptible d’être trouvée (ou vraiment, tout ce que vous pouvez savoir sur la particule).

Mais attendez! Il y a plus., Et si vous utilisiez L’équation de Schrodinger pour regarder une particule dans une boîte unidimensionnelle? Pourquoi voudriez-vous faire cela? Parce que c’est mathématiquement simple et parce que nous pouvons l’utiliser pour explorer certains des résultats d’un système quantique. De L’équation de Schrodinger, vous constateriez que la particule ne peut exister qu’à certaines énergies discrètes. C’est vraiment l’un des points clés de la mécanique quantique (c’est le quant au quantum).

mon analogie quantique préférée est un escalier. Pour un escalier, vous pouvez être sur une étape ou l’étape suivante, mais vous ne pouvez vraiment pas être entre les étapes., Dans ce cas, on pourrait dire que la hauteur est quantifié. Le même est vrai pour une particule dans une boîte ou un électron dans un atome d’hydrogène. Il n’y a que certains niveaux d’énergie possibles.

Ce modèle d’énergie quantique est-il en accord avec la mécanique classique? Oui. Si vous regardiez une balle de tennis rebondir d’avant en arrière dans une salle de classe typique, vous pouvez calculer les niveaux d’énergie quantifiés. Cependant, ces niveaux d’énergie sont si proches les uns des autres que vous ne seriez jamais en mesure de vérifier expérimentalement que la balle ne peut avoir que certains niveaux d’énergie.,

Juste pour être clair: le modèle quantique de choses est tout comme les autres modèles ci-dessus. Lentement donne un résultat différent du modèle classique de choses.

pourquoi les manuels incluent-ils le modèle photonique de la lumière?

Vous avez été très patient. Je sais que vous voulez parler de photons, mais j’ai dû sortir les trucs de modèle du chemin. Mais comme je l’ai dit, à peu près tous les manuels d’introduction à la physique parlent de photons utilisant l’effet photoélectrique comme base de ce modèle.

Il y a une raison pour cela., Albert Einstein a remporté le prix Nobel en 1921 en partie pour son explication de l’effet photoélectrique. Bien sûr, Einstein a fait d’autres choses géniales. En particulier, la théorie générale et spéciale de la relativité. Mais le prix Nobel n’a pas mentionné cela – juste l’effet photoélectrique. Cependant, lors du discours d’acceptation D’Einstein pour le prix Nobel, il a parlé de la relativité et non de l’effet photoélectrique.,

Mais voici la partie folle (je sais, vous pensez probablement que tout ce post est fou): l’effet photoélectrique peut être expliqué avec un modèle d’onde classique de la lumière avec un modèle quantique de la matière. Vraiment, il peut., Ignorant les détails, laissez-moi juste vous dire (et vous pouvez regarder dans votre mécanique quantique livre à vérifier) que si vous avez une particule d’énergie E1 et vous souhaitez la transition vers le niveau d’énergie E2 vous pouvez le faire par l’ajout d’une variable dans le temps potentiel tels que:

Hey! Cela ressemble étrangement à l’équation pour l’énergie d’un photon. Yup. Si vous le souhaitez, vous pouvez utiliser la lumière avec une fréquence de f pour induire la transition d’un niveau d’énergie à un autre., Mieux encore, peu importe si cette transition est d’un niveau d’énergie supérieur à inférieur ou inférieur à Supérieur. Cette perturbation oscillante peut expliquer à la fois l’absorption et l’émission de lumière.

Qu’en est-il de l’effet photoélectrique? Eh bien, tous les résultats que vous voyez expérimentalement peuvent être expliqués si les électrons dans le métal ne peuvent exister qu’à certains niveaux d’énergie (modèle quantique de la matière) et que la lumière est une onde. En fait, certains des anciens manuels de mécanique quantique montrent cela comme un exemple de problème.

Mais alors pourquoi le modèle de photon est-il dans les manuels?, Je dirais que c’est à cause de l’inertie éducative. Qui rédige les manuels scolaires? Si vous répondez « gens », alors vous avez raison. Mais où ces” gens  » apprennent-ils la physique? Si vous avez dit « Manuels », ce serait une réponse assez agréable. Ainsi, les gens apprennent des manuels qui ont des photons. Ensuite, ils écrivent un manuel, donc clairement ils auront des photons dans leurs livres. Simple.

la lumière est quantifiée

mon point principal ici est que le photon n’est pas ce que vous pensez qu’il est. Ce n’est pas une petite boule de lumière. Ce n’est pas léger comme une particule. Cependant, la lumière est encore assez bizarre., Il y a une nature quantique aux champs électriques et magnétiques dans la lumière (théorie quantique du rayonnement). Mais la plupart des choses que vous regardez peuvent être expliquées en utilisant un modèle d’onde classique de la lumière et un modèle quantifié pour la matière.

Recours à l’Autorité: j’avoue que, parfois, les choses deviennent confus. Au cas où l’un de mes arguments n’aurait aucun sens, j’ajouterai des opinions d’experts (ce qui signifie des gens qui en savent plus que moi).,

« Il est grand temps d’abandonner l’utilisation du mot « photon », et d’un mauvais concept qui sera bientôt un siècle d’histoire. Le rayonnement n’est pas constitué de particules et la limite classique, c’est-à-dire non quantique de QTR est décrite par les équations de Maxwell pour les champs EM, qui n’impliquent pas de particules.”

Ou peut-être vous souhaitez une citation d’Einstein lui-même?

« toutes ces cinquante années de couvaison consciente ne m’ont pas rapproché de la réponse à la question » Que sont les quanta de lumière?, De nos jours, tous les Tom, Dick et Harry pensent qu’il le sait, mais il se trompe. »

Albert Einstein, lettre à Michael Besso 1954.

TL;DR

Oui, c’est long. Voici les principaux points afin que vous n’ayez pas à tout lire.

• la Lumière est génial.
• La plupart des modèles se trompent à un certain niveau. Cependant, ils convergent lentement vers d’autres modèles plus corrects.
• c’est un peu idiot de décrire la lumière comme une particule.,
• En fait, à peu près tout ce que vous voyez en physique de premier cycle peut être expliqué avec un modèle d’onde classique de la lumière avec un modèle quantique de la matière.
• Je ne nie pas qu’il existe une théorie quantique du rayonnement (QTR). Par exemple, l’anti-regroupement de photons ne peut pas être décrit avec une onde EM classique.

je me demande si je devrais mettre le tl;dr au début. Oh bien.

commentaires préventifs

Je ne sais pas pourquoi, mais je m’attends à ce que certaines personnes ne soient pas si heureuses de ce post., En général, les gens ont l’une des deux réponses suivantes à ce genre d’argument.

Maintenant, pour certains des commentaires que vous pourriez avoir.

• dites-vous Qu’Einstein avait tort? Si oui, vous êtes fou. En fait, non. Vous pouvez décrire l’effet photoélectrique avec des particules de lumière. Vous n’avez tout simplement pas le besoin. OK fine – Einstein avait tort sur l’effet photoélectrique. Il était encore un génie, et peut-être le deuxième plus grand physicien que nous connaissons., Newton ne le dépasse que parce que quand il avait besoin de nouvelles mathématiques pour sa physique, il l’a inventé. Quand Einstein avait besoin de nouvelles mathématiques, il l’a appris des mathématiciens.
• (c’est de mon frère Neil, il a un commentaire et une question) vous détestez juste les photons comme Steve Jobs déteste les boutons. Pouvons-nous encore parler de torpilles à photons ou allez-vous les interdire aussi? Je ne déteste pas les photons. La haine est un mot fort. Mais oui, vous pouvez toujours utiliser des torpilles à photons-mais qu’en est-il des « torpilles légères »? Cela fonctionnerait-il?
• Qu’en est-il de la dynamique des photons?, La plupart des manuels d’introduction donnent une belle explication de la façon dont une onde électromagnétique peut pousser sur la matière chargée électriquement. J’aime particulièrement l’explication dans Matter and Interactions II (Wiley: Chabay And Sherwood). En fait, voici mon explication précédente de la façon dont la lumière peut pousser la queue d’une comète.
• Qu’en est-il d’une autre chose particulière traitant des photons? Je vous renvoie à ce très beau papier de David Norwood. Y. (L’Utilisation et l’Abus de « photon » dans Nanomécanique – pdf)

Astuce Chapeau à David Norwood., Vraiment, c’est de sa faute si je pensais à toute cette question. Cependant, il a offert quelques bonnes suggestions pour ce poste.