Einstein's light quanta through the lens of Maxwell's equations
TRADUIT ET COMMENTE PAR R.O.HARTMANSHENN
uanta de lumière d'Einstein à travers les équations de Maxwell
Par Dhiraj Sinha
Excitation des électrons par un champ électromagnétique. Crédit : Dhiraj Sinha
La lumière a longtemps été considérée comme une onde, présentant un phénomène d'interférence : des ondulations semblables à celles des vagues de l'eau sont générées lors d'interactions spécifiques. La lumière se courbe également autour des angles, ce qui produit des effets de franges, appelés diffraction. L'énergie de la lumière est associée à son intensité et est proportionnelle au carré de l'amplitude du champ électrique. Or, dans l'effet photoélectrique, l'énergie des électrons émis est proportionnelle à la fréquence du rayonnement.
Cette observation a été faite pour la première fois par Philipp Lenard, qui a réalisé les premiers travaux sur l'effet photoélectrique. Pour expliquer ce phénomène, Einstein a suggéré en 1905, dans les Annalen der Physik, que la lumière est composée de paquets d'énergie quantifiés, appelés photons. Cela a conduit à la théorie de la nature duale de la lumière, selon laquelle celle-ci peut se comporter comme une onde ou une particule selon ses interactions, ouvrant la voie à la naissance de la mécanique quantique.
Bien que les travaux d'Einstein sur les photons aient été largement acceptés, lui valant finalement le prix Nobel de physique, Einstein n'en était pas totalement convaincu. Il écrivit dans une lettre de 1951 : « Ces cinquante années de réflexion consciente ne m'ont pas permis d'avancer plus avant dans la réponse à la question : que sont les quanta de lumière ?»
Un nouvel intérêt pour la lumière
Dans un ouvrage récent publié dans les Annales de Physique, j'ai montré que l'interprétation de la lumière comme des paquets d'énergie ou des particules quantifiés résulte d'un phénomène plus subtil, associé à la quantification du flux magnétique.
Ce travail illustre que l'aspect fondamental du couplage entre l'énergie lumineuse et les électrons peut être déduit simplement en utilisant la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, où l'énergie d'un électron de charge e dans le champ de flux magnétique j variable dans le temps du rayonnement électromagnétique est edj/dt. J'ai également montré que sa représentation fréquentielle ou dans le domaine de phase est ejw, où w est la fréquence angulaire du rayonnement.
En 1905, Albert Einstein a présenté l'idée révolutionnaire des quanta lumineux d'énergie égaux à ħw, où ħ est la constante de Planck réduite. Il existe de nombreuses preuves expérimentales de la quantification du flux magnétique, des boucles supraconductrices au gaz d'électrons bidimensionnel, observée dans l'effet Hall quantique.
J'ai suivi une approche par l'électromagnétisme classique pour dériver l'expression de l'énergie ejw, qui est égale au concept einsteinien de quanta lumineux ou de photons. J’ai également soutenu que l’énergie d’un électron peut être discrète, et que les mesures de ces niveaux d’énergie discrets peuvent donner l’apparence de la nature particulaire de la lumière.
Max Planck ne croyait pas aux électrons et n'a pas tenu compte des travaux de Lorentz et Thomson (Conférence Nobel, 1922), mais il connaissait les expériences de Hertz basées sur les oscillateurs électroniques. Il a avancé l'idée d'oscillateurs atomiques quantifiés d'énergie ħw en 1901, idée qu'Einstein a utilisée en 1905 dans sa théorie du photon basée sur l'heuristique, publiée dans Annalen Der Physik.
Bruce Wheaton, historien des sciences réputé, écrit dans la revue Historical Studies in the Physical Sciences : « La pensée allemande des années 1890 accordait une grande importance à l'explication éthérique de la charge électrique plutôt qu'à son interprétation matérielle… Les expériences de Millikan n'ont pas conduit à l'acceptation des quanta de lumière. Durant cette période (1913-1923), il n'existait tout simplement aucune explication convaincante de l'effet photoélectrique. Finalement, les quanta de lumière ont été acceptés à contrecœur pour remédier à une situation devenue intolérable. »
Cet article revêt une importance particulière pour la recherche dans le domaine de l'énergie, car nous comprenons désormais que les cellules solaires et les générateurs électromagnétiques fonctionnent selon la même loi physique. Il met particulièrement l'accent sur le fait que la structure des équations de Maxwell permet la quantification des charges. Lorsque Thomson a découvert les électrons, il a été prouvé que le flux électrique est quantifié. La quantification du flux magnétique a été découverte dans les années 1960, mais son étude est restée limitée aux boucles supraconductrices.
De nombreux universitaires de renom, spécialisés en mécanique quantique, ont commenté cet article.
Lawrence Horowitz, professeur émérite de physique à l'Université de Tel-Aviv, déclare : « Cet article constitue une contribution précieuse à la théorie des photons et des électrons ; un complément important à l'ouvrage de Jauch et Rohrlich, notamment sur les aspects classiques de cette théorie. » Steven Verrall, récemment retraité du département de physique de l'Université du Wisconsin à La Crosse, déclare : « Le Dr Sinha propose une nouvelle approche semi-classique de la modélisation des systèmes quantiques. Je pense également que l'approche unique de Dhiraj Sinha pourrait, à terme, apporter des éclairages précieux au développement continu des théories semi-classiques des champs effectifs en physique des basses énergies. »
Dans une note personnelle adressée à l'auteur, un physicien de renom de l'Université de Bristol, au Royaume-Uni, a commenté : « Il est préférable d'utiliser la quantification de flux pour dériver la mécanique quantique, plutôt que de dériver la quantification de flux de la mécanique quantique. Vous avez probablement raison, car toute théorie physique offre une liberté de définition de ce qui est fondamental et de ce qui en est dérivé. »
Il a ajouté : « Nous avons appris d'Einstein que les équations de Maxwell étaient relativistes (c'est-à-dire invariantes par la transformation de Lorentz) 40 ans avant la parution de la relativité. Nous savons maintenant qu'elles étaient déjà quantiques, 60 ans avant la mécanique quantique ! Je trouve cela étonnant. »
Cet article fait partie de Science X Dialog, où les chercheurs peuvent présenter les résultats de leurs articles de recherche publiés. Consultez cette page pour en savoir plus sur Science X Dialog et comment y participer.
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TRADUCTION DU RESUME SCIENCE X
Quanta de lumière d'Einstein à travers les équations de Maxwell.
La lumière a longtemps été considérée comme une onde, présentant un phénomène d'interférence : des ondulations semblables à celles des vagues de l'eau sont générées lors d'interactions spécifiques. La lumière se courbe également autour des angles, ce qui produit des effets de franges, appelés diffraction. L'énergie de la lumière est associée à son intensité et est proportionnelle au carré de l'amplitude du champ électrique. Or, dans l'effet photoélectrique, l'énergie des électrons émis est proportionnelle à la fréquence du rayonnement.
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COMMENTAIRES
Il peut etre utile de détailler les marches de l escalier d une découverte ! Alors posons nous deux questions :
1/Einstein a-t-il utilisé les équations de Maxwell dont l '
article de 1865,s intitule « Une théorie dynamique du champ électromagnétique »,
I l a mis en oeuvre en tant qu energie ondulatoire dynamique distribuée en photon quantiques
2 /Comment Einstein a-t-il utilisé les photons pour expliquer l'effet photoélectrique ?
Comme la lumière est regroupée en photons, Einstein a théorisé que lorsqu'un photon tombe sur la surface d'un métal, toute son énergie est transférée à l'électron. Une partie de cette énergie sert à arracher l'électron de l'emprise de l'atome métallique, tandis que le reste est transmis à l'électron éjecté sous forme d'énergie cinétique.
3/Touefois qui auparavent avait contribué à verifier le travail théorique de Maxwell ???La preuve expérimentale des équations de Maxwell a été démontrée par Heinrich Hertz lors d'une série d'expériences dans les années 1890. Après cela, les équations de Maxwell ont été pleinement acceptées par les scientifiques
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More information: Dhiraj Sinha, Electrodynamic excitation of electrons, Annals of Physics (2024). DOI: 10.1016/j.aop.2024.169893
Journal information: Physical Review Letters
Dhiraj Sinha holds a doctorate in electrical engineering from the University of Cambridge, U.K. and has spent the larger part of his research career working on the foundational aspect of electromagnetic radiation and associated symmetries. A part of the work was carried out at Massachusetts Institute of Technology, where he was a postdoctoral researcher, prior to his current appointment. He left Massachusetts Institute of Technology toward the end of 2019 and is currently teaching at Plaksha
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