Chapitre 13 - Lumière – Onde – Photon – Polarisation

13.1 Nature fondamentale d’une onde

 

Nous considérons que la lumière est fondamentalement une onde.

 

Il nous faut donc définir dans son expression la plus fondamentale ce qu’est une onde.

Notre définition fondamentale d’une onde est résumée par les propositions suivantes :

  • une onde est un phénomène physique ;

  • une onde nécessite obligatoirement la présence d’un milieu pour exister et se propager ;

  • une onde consiste en une déformation locale du milieu qui se propage « de proche en proche » dans le milieu. L’onde ne consiste pas en un corps provenant de l’extérieur du milieu ou d’une autre nature que le milieu et qui se déplacerait dans le milieu. L’onde est fondamentalement constituée par le milieu ;

  • une onde est créée par une source qui, par des moyens divers et variés selon le type d’onde, excite le milieu et le « déforme » en lui transmettant de l’énergie.

 

Il est également important de mentionner quelques propriétés des ondes :

  • une onde se propage à une vitesse déterminée par les caractéristiques du milieu ;

  • la vitesse d’une onde ne dépend pas de la vitesse de la source qui génère l’onde, ni de l’énergie transmise au milieu par la source, mais uniquement du milieu ;

  • une onde transporte de l’énergie qui peut être transmise à un « obstacle » se trouvant sur son parcours.

 

Enfin, il est possible de rajouter un caractère oscillatoire à l’onde :

  • une onde peut être entretenue si la source qui la crée transmet au milieu de l’énergie de façon périodique ;

  • les déformations locales du milieu qui constituent l’onde peuvent alors présenter un caractère oscillatoire auquel on peut donc associer une fréquence.

 

Exemples de phénomènes ondulatoires connus :

  • une corde excitée à l’une de ses extrémités ;

  • une vague à la surface d’un océan ;

  • une ondelette à la surface d’un étang ;

  • une onde acoustique ou sonore se propageant dans l’air ;

  • une onde électromagnétique / lumière se propageant dans « l’océan » de créatons (champ de créatons).

 

TOUS les phénomènes d’onde possèdent un milieu de propagation.

Par essence, une onde nécessite un milieu de propagation et l’onde elle-même est la manifestation de la déformation du milieu.

L’homme a abandonné l’idée d’un milieu de propagation pour la lumière car ce milieu est très spécial. Il est, pourrait-on dire, d’un autre ordre, loin de l’ETHER immobile qui était envisagé à la fin du XIXe siècle, ce milieu est constitué d’un nombre immense d’entités très ténues et se déplaçant dans toutes les directions à des vitesses inouïes bien supérieures à la vitesse de la lumière.

 

La lumière est certainement le phénomène ondulatoire le plus complexe.

Cependant, il est possible de comprendre l’onde EM et la lumière grâce à l’analogie avec la vague sur l’océan et l’onde acoustique.

 

De l’analogie avec la vague sur l’océan, il faut tirer les points suivants qui sont certainement les plus intéressants car les moins reconnus comme propriétés pour l’onde EM (l’analogie avec l’onde acoustique est mieux exploitée) :

  • une onde se propage de proche en proche dans le milieu. Il y a formation d’une « protubérance » (la vague) qui progresse. Cette « protubérance » est formée par des « entités » constituant le milieu (molécules d’eau pour la vague) ;

  • la « protubérance » progresse mais elle n’est jamais constituée des mêmes entités au cours de sa progression (une vague à une position donnée n’est plus constituée par les mêmes molécules d’eau que la même vague 100 mètres en amont). Ainsi, le passage de la vague perturbe les molécules d’eau localement mais n’emporte pas les molécules d’eau avec elle. Ainsi en va-t-il également du photon (vague lumineuse) qui n’est pas le même en quittant le Soleil et en arrivant sur Terre (le photon qui arrive sur Terre n’est pas constitué des mêmes créatons que le photon qui quitte le Soleil) ;

  • la vague véhicule et peut transmettre une énergie considérable lorsqu’elle frappe un obstacle ;

  • par analogie, un photon, même conçu comme une onde, peut transmettre de l’énergie à un atome (effet photo-électrique).

 

En ce qui concerne l’analogie avec une onde sonore, il faut certainement citer les points suivants (liste non exhaustive) :

  • l’onde sonore est une déformation du milieu avec des fronts de pression et de dépression qui progressent à la vitesse du son. La distance entre les fronts de pression est constante (pour une fréquence donnée) et égale à la longueur d’onde. C’est le déplacement de ces fronts devant un observateur fixe qui donne le caractère ondulatoire ;

  • dans un milieu homogène, la propagation dans une direction donnée d'une onde monochromatique se traduit par une simple translation de la sinusoïde à une vitesse appelée vitesse de propagation ou célérité ;

  • effet Doppler ;

  • énergie transportée ;

  • interférences.

 

Du point de vue définition, pour se mettre d’accord sur les termes, si l’on accepte qu’une vague et le déplacement de l’air dû au son de la voix sont des ONDES et uniquement des ondes alors, dans la théorie que je propose, la lumière est une ONDE et uniquement une onde.

 

Ainsi, quand on croit dans une expérience que la lumière s’est comportée comme une particule (photon = grain de lumière), il faut penser immédiatement à la vague sur l’océan.

La différence principale est que la longueur d’onde de la lumière est si petite (de 0,380 µm à 0,780 µm pour la lumière visible) que, étudiée par l’homme avec des instruments, la « protubérance », la déformation qui se déplace semble très petite, localisée, et donne l’impression d’une particule en mouvement.

 

De plus, la vague transporte de l’énergie et quand elle frappe un obstacle (des rochers, une jetée, etc.), elle libère et transmet une énergie énorme.

C’est ainsi qu’il faut comprendre l’effet photo-électrique où l’énergie de photons incidents déloge les électrons des atomes ou bien également l’expérience des fentes de Young, où les photons frappent un écran opaque après avoir franchi les deux fentes même envoyés un par un.

 

Cela est FONDAMENTAL : c’est-à-dire que si l’on veut bien accepter l’existence d’un MILIEU DE PROPAGATION alors, de mon point de vue, l’affrontement entre l’aspect corpusculaire et l’aspect ondulatoire de la lumière est résolu simplement et de façon satisfaisante.

La lumière est bien une ONDE mais si l’on fait un « arrêt sur l’image » d’un photon alors il apparaîtra comme un « regroupement » de créatons (nous allons voir juste après de quelle forme est ce regroupement et son « mécanisme ») tout comme « stopper le temps » sur une vague donnerait la vision d’un regroupement de molécules d’eau.

Si ensuite on « relance la lecture », mais au ralenti (juste pour mieux voir les phénomènes), on voit que la vague prend des molécules d’eau situées en amont de sa trajectoire et cède des molécules d’eau au milieu après son passage.

Il en va de même du photon constitué de « regroupements » de créatons qui progressent en prenant des créatons au milieu (océan de créatons) et en cédant également des créatons au milieu en QUANTITÉ ÉGALE, pour ainsi, EN MOYENNE, conserver un nombre constant de créatons.

 

Avec tous les éléments décrits précédemment et pour résumer, la lumière et le photon doivent vérifier les caractéristiques et propriétés suivantes :

  • la lumière est une onde qui progresse dans un milieu (« océan de créatons ») ;

  • un photon de fréquence n est formé de « protubérances » constituées elles-mêmes de créatons (entités du milieu). Deux protubérances consécutives sont séparées d’une distance constante égale à la longueur d’onde (l = c / n) et se propagent à la vitesse de la lumière c ;

  • les protubérances constituées de créatons sont renouvelées en permanence par de nouveaux créatons.

 

Avec tous ces éléments, nous sommes très proches du mécanisme final du photon.

 

Il reste cependant un élément, mais un élément capital, en fait la clé de voûte de l’édifice qu’est le photon.

 

Cet élément répond à la question suivante : comment avec un milieu constitué d’un nombre gigantesque de créatons se déplaçant à des vitesses fabuleuses, bien supérieures à la vitesse de la lumière et dans toutes les directions, une ONDE peut-elle se propager ?

 

Il faut pour répondre à cette question introduire le VORTEX, une sorte de micro-tornade, micro-cyclone créé par les créatons allant dans toutes les directions à des vitesses inouïes comme de forts vents tourbillonnant.

Les vortex, constitués de créatons tourbillonnant, céderaient en moyenne au milieu la même quantité de créatons que ceux captés dans un laps de temps donné.

 

Le modèle final du photon est donc un assemblage de NV vortex se suivant en ligne et se déplaçant à la vitesse c dans le champ de créatons.

 

13.2 Polarisation de la lumière

 

Pour définir la position des vortex constituant les ondes EM et la lumière, il faut tenir compte d’une propriété très importante de ces ondes qui est la polarisation.

 

La polarisation est une propriété des ondes vectorielles telles que la lumière. Le fait que ces ondes soient caractérisées par des vecteurs les différencie des autres types d'ondes comme les ondes sonores, et implique ce phénomène de polarisation.

La manifestation la plus simple de polarisation est celle d'une onde plane, qui est une bonne approximation de la plupart des ondes lumineuses. Comme toute onde électromagnétique qui se propage, elle est constituée d'un champ électrique et d'un champ magnétique tous deux perpendiculaires à la direction de propagation :

On décide, par la suite, d'ignorer le champ magnétique, car il peut être déterminé à partir du champ électrique grâce aux équations de Maxwell. On considère donc uniquement le champ électrique  perpendiculaire à la direction de propagation.

 

La figure décrite par le champ électrique peut être :

  • un segment de droite, c’est le cas de la polarisation rectiligne ;

  • une ellipse, c’est le cas de la polarisation elliptique ;

  • un cercle, c’est le cas de la polarisation circulaire.

 

De plus, cette onde se propage dans l'espace, selon une direction précise, que l'on choisit verticale, perpendiculaire au plan d'onde horizontal, dans les figures ci-dessous (en trois dimensions) : ces courbes sont une représentation spatiale, instantanée, au temps t0 fixé, des positions de la pointe de flèche du champ électrique dans tous les plans d'onde superposés verticalement le long de la propagation. Ces courbes sont construites en reportant à la distance verticale d le vecteur champ qui existait dans le plan d'onde du bas à un instant passé t = t0 − d / v (v est la vitesse de propagation ; on tient compte ainsi de l'effet de la propagation) :

  • la courbe de gauche représente la polarisation rectiligne ; c'est une sinusoïde tracée dans le plan vertical, passant par la diagonale du carré bleu, en bas ;

  • la courbe du milieu représente la polarisation circulaire ; c'est une hélice qui s'enroule sur un cylindre vertical, dont la base est le cercle dessiné en perspective dans le carré du bas ;

  • la courbe de droite représente la polarisation elliptique ; c'est une courbe ressemblant à une hélice, tracée sur un cylindre vertical, aplati, dont la base est l'ellipse dessinée dans le carré du bas.

On peut se figurer la propagation en faisant glisser verticalement ces représentations spatiales instantanées : un instant Δt plus tard, ces courbes doivent être remontées de la distance Δd = vΔt.

La symétrie des fonctions de l'espace et du temps, dans les équations de propagation, fait que les mêmes courbes peuvent aussi représenter mathématiquement les variations temporelles du champ électrique, dans un plan d'onde fixé (il suffit alors de graduer en temps l'axe vertical).

 

Ce phénomène s'explique grâce à l'équation de propagation de l'onde lumineuse. En décomposant le champ électrique en ses deux composantes orthogonales, on s'aperçoit qu'elles ont toutes deux une évolution sinusoïdale. Lorsque les deux composantes oscillent en même temps, on obtient une polarisation rectiligne. Si elles présentent un déphasage (c'est-à-dire que l'une est en retard par rapport à l'autre), alors on obtient une polarisation elliptique.

Dans le cas particulier où ce déphasage vaut 90° et que les deux composantes ont même amplitude, la polarisation est circulaire. On distingue alors les cas de polarisation circulaire gauche et circulaire droite selon le sens de l'enroulement autour du cylindre.

 

Ainsi, il est possible d’obtenir toutes les polarisations possibles (rectiligne, circulaire, elliptique) grâce à deux champs électriques orthogonaux sinusoïdaux.

13.3 Allure sinusoïdale du champ électrique

 

Comme cela a été décrit au chapitre sur la présentation des vortex, le champ électrique correspondrait au flux de créatons-spins émis par le vortex selon ses deux bases.

Le passage de deux vortex émettant des créatons-spins de sens, de rotation opposés devant un observateur fixe va donner un champ électrique sinusoïdal perpendiculaire à la direction de propagation des vortex à la vitesse de la lumière.

13.4 Premier modèle du photon

 

Les deux schémas suivants décrivent le premier modèle du photon pour différentes polarisations :

Les vortex d’axe x et les vortex d’axe y ont pour expression :

 

Il est tout à fait justifié de prendre Ex0 = Ey0 = E0 car les vortex d’axe x sont semblables aux vortex d’axe y.

 

Pour j = 0 on a : Ex = Ey = E0.cos(wt – kz).  La polarisation est rectiligne.

Pour j = p/2 on a :   

d’où  . La polarisation est circulaire.

Pour j quelconque, on a : .

En utilisant l’expression de Ex on obtient :

En élevant au carré, on obtient : .

Cela peut également s’écrire : .

La polarisation est elliptique.

13.5 Deuxième modèle du photon

 

Je propose un deuxième modèle du photon toujours basé sur une file de vortex, les deux différences par rapport au premier modèle étant :

  • Tous les vortex sont distants de /4 donc cela revient à prendre = /2 () ;

  • L’angle entre l’axe des vortex rouges sur la figure et l’axe des vortex verts sur la figure est quelconque (c’est-à-dire l’angle entre l’axe des x et l’axe des y). C’est cet angle qui définit la polarisation.

 

L’expression des champs est donc   (car j = p/2).

Lorsque les axes x et y sont perpendiculaires, on a la relation   et la polarisation est circulaire. Cependant dans le cas général, on obtient une ellipse et non pas un cercle car les axes x et y ne sont pas perpendiculaires mais forment l’angle f.

 

Dans le cas de la polarisation circulaire, les deux modèles sont exactement identiques (tous les vortex sont séparés de l/4 (j = p/2) et les axes de deux vortex consécutifs sont perpendiculaires (f = p/2)).

 

Dans le cas de la polarisation rectiligne, les axes de tous les vortex sont parallèles.

 

Dans le cas d’une polarisation quelconque (elliptique), la file de vortex a l’allure suivante :

Ce deuxième modèle du photon présente sur le premier modèle l’énorme avantage d’avoir un espacement toujours régulier des vortex (toujours distants de l/4) c’est-à-dire que l’énergie du photon est toujours condensée en certains points de l’espace (les vortex) mais régulièrement espacés. Quant à la polarisation, elle correspond à un « vrai » angle qui est celui entre le plan contenant les vortex impairs (en rouge sur la figure) et le plan contenant les vortex pairs (en vert sur la figure).

C’est donc le deuxième modèle du photon qui sera retenu dans ma théorie des créatons.

 

Pour moi, cette définition du photon a l’avantage de résoudre les problèmes suivants dans la conception actuelle du photon :

  • le photon est une particule mais QUI NE PEUT QUE se déplacer à la vitesse de la lumière même quand la lumière donne l’impression de ne se comporter que de façon corpusculaire (alors que toutes les autres particules peuvent avoir différentes vitesses) ;

  • le photon possède une masse nulle. Même si la déviation des rayons lumineux à proximité d’un corps très massif (par exemple le Soleil) est expliquée par le fait que le photon suit une géodésique de la courbure de l’espace-temps, il est légitime de trouver cette déviation étonnante de la part d’une particule de masse nulle ;

  • le photon décrit uniquement comme une particule ne présente pas de caractère ondulatoire. L’aspect d’oscillations n’est pas reflété physiquement par ce modèle même si on lui attribue l’énergie E = h..

13.6 Conclusion

 

Récapitulatif sur la nature de la lumière et la constitution d’un photon :

 

La lumière est donc une onde formée de quanta (les photons) d’énergie bien déterminée (Ephoton = hn) qui eux-mêmes sont formés de sub-quanta (les vortex) d’énergie également bien déterminée (EV = mV.c2 = hn / NV).

 

Les vortex constituant le photon lui donnent son caractère à la fois ondulatoire et « quantique ». L’énergie du photon n’est pas homogène dans l’espace, mais concentrée en certaines zones correspondant aux VORTEX.

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© 2015 créé par Olivier Pignard

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