Que deviennent les photons quand on éteint la lumière ?

Lorsque nous éteignons une ampoule, la pièce est plongée dans l'obscurité presque instantanément. Pourtant, les photons déjà émis par la lampe ne disparaissent pas d'un seul coup. Ils continuent à se propager dans la pièce à la vitesse de la lumière jusqu'à ce qu'ils soient absorbés par la matière, traversent éventuellement un matériau transparent ou quittent la pièce.

Autrement dit, éteindre la lumière met fin à l'émission de nouveaux photons, mais n'arrête pas ceux qui ont déjà été émis. Ces photons poursuivent leur propagation pendant un très court laps de temps. Tout se déroule cependant si vite que, à notre échelle, l'obscurité semble s'installer instantanément.

Que se passe-t-il lorsqu'on éteint l'ampoule ?

Lorsque nous actionnons l'interrupteur, nous coupons l'alimentation électrique de la lampe.

La source lumineuse cesse alors d'émettre de nouveaux photons. L'arrêt de l'émission n'est toutefois pas nécessairement instantané et dépend du type de lampe utilisé.

Dans une ampoule à incandescence, par exemple, le filament reste chaud pendant un bref instant après la coupure du courant. Il continue donc à émettre un rayonnement électromagnétique pendant qu'il refroidit.

Mais qu'advient-il de la lumière qui avait déjà quitté l'ampoule au moment où nous avons actionné l'interrupteur ? Elle continue tout simplement à se propager.

Dans le vide, la vitesse de la lumière est

\[ c=299\,792\,458 \text{ m/s} \]

soit, approximativement,

\[ c \simeq 3\cdot10^8 \text{ m/s} \]

Dans l'air, la lumière se propage à une vitesse légèrement inférieure. Mais aux distances habituelles à l'intérieur d'une pièce, l'écart est si faible que la vitesse de la lumière dans le vide constitue une excellente approximation.

Combien de temps faut-il à un photon pour traverser une pièce ?

Pour comprendre à quel point le phénomène est rapide, prenons un exemple simple. Imaginons un photon qui parcourt 4 mètres entre l'ampoule et un mur.

Le temps nécessaire pour parcourir cette distance est

\[ t=\frac{s}{c} \]

où \(s\) représente la distance parcourue et \(c\) la vitesse de la lumière.

En remplaçant ces grandeurs par leurs valeurs, nous obtenons

\[ t=\frac{4}{299\,792\,458} \]

ce qui donne approximativement

\[ t=1.33\cdot10^{-8}\text{ s} \]

soit environ 13,3 nanosecondes.

Un photon n'a donc besoin que de quelques milliardièmes de seconde pour parcourir plusieurs mètres dans une pièce. Pendant cet intervalle extrêmement bref, il peut déjà atteindre un mur, un meuble, une fenêtre ou toute autre surface.

Remarque. Cela ne signifie pas que tous les photons émis par la lampe ont disparu au bout de 13,3 nanosecondes. Cette valeur indique uniquement le temps nécessaire à la lumière pour parcourir une distance de 4 mètres. Certains photons peuvent être réfléchis et continuer à se propager dans la pièce pendant un peu plus longtemps.

Pourquoi la pièce devient-elle sombre aussi rapidement ?

Si les photons continuent à se propager après l'extinction de la lampe, une question se pose naturellement : pourquoi la pièce devient-elle sombre presque immédiatement ?

La réponse tient à ce qui se produit lorsque la lumière rencontre les murs, les meubles, le sol, les fenêtres et les autres surfaces présentes dans la pièce.

Lorsque la lumière atteint l'interface entre deux milieux ou interagit avec la matière, plusieurs phénomènes peuvent se produire. Dans notre cas, trois sont particulièrement importants :

• Réflexion
  Une partie de la lumière incidente est renvoyée et poursuit sa propagation dans une nouvelle direction.
• Transmission
  Une partie de la lumière traverse le matériau, si celui-ci est suffisamment transparent aux longueurs d'onde considérées, puis poursuit sa propagation de l'autre côté.
• Absorption
  L'énergie du rayonnement électromagnétique est transférée à la matière. Dans une description quantique, un photon absorbé cède son énergie au système avec lequel il interagit. Selon la nature du matériau et l'énergie du photon, cette interaction peut notamment provoquer des excitations électroniques ou, après différents processus de relaxation, alimenter les vibrations du réseau cristallin ou les mouvements moléculaires. L'énergie absorbée contribue alors à l'énergie interne du matériau.

Or les surfaces qui nous entourent ne sont pas des réflecteurs parfaits. Même un mur blanc ne réfléchit qu'une partie de la lumière visible qu'il reçoit.

À chaque rencontre avec une surface, une partie de la lumière peut donc être réfléchie, une autre absorbée et, selon le matériau, une autre transmise. Une fraction du rayonnement peut également finir par quitter la pièce, par exemple à travers une fenêtre ou une ouverture.

La lumière diminue à chaque réflexion

Un exemple simple permet de comprendre à quelle vitesse la lumière peut disparaître. Supposons qu'une surface possède, dans les conditions considérées, un coefficient de réflexion de 80 %. Elle renvoie donc 80 % de la lumière incidente à chaque réflexion.

Après une réflexion, il reste

\[ 0.8=80\% \]

de la quantité initiale de lumière.

Après deux réflexions,

\[ 0.8^2=0.64 \]

il en reste donc 64 %.

Après dix réflexions,

\[ 0.8^{10}\simeq0.107 \]

il ne reste plus qu'environ 11 % de la quantité initiale.

Après cinquante réflexions,

\[ 0.8^{50}\simeq0.000014 \]

il n'en reste plus qu'environ 0,0014 %.

Le phénomène est donc extrêmement rapide. Même si certains photons peuvent subir de nombreuses réflexions, la quantité de lumière qui continue à se propager dans la pièce diminue fortement à chaque interaction avec les surfaces.

Et comme la lumière parcourt plusieurs mètres en seulement quelques nanosecondes, ces interactions se succèdent à une vitesse considérable. En une infime fraction de seconde, une grande partie de l'énergie électromagnétique initialement présente dans la pièce a déjà été absorbée par la matière ou s'est échappée vers l'extérieur.

C'est pourquoi nous avons l'impression que l'obscurité apparaît instantanément. En réalité, toute la lumière ne disparaît pas au même moment. La densité d'énergie électromagnétique présente dans la pièce décroît très rapidement à mesure que les photons sont absorbés par les murs, les meubles et les autres objets, ou qu'ils quittent la pièce.

Que se passe-t-il lorsqu'un photon est absorbé ?

Nous savons maintenant pourquoi une pièce devient sombre si rapidement. Mais une question plus profonde demeure : que devient exactement un photon lorsqu'il atteint un matériau et qu'il est absorbé ?

Lorsqu'un photon est absorbé, il transfère son énergie au système matériel avec lequel il interagit.

L'énergie d'un photon est reliée à sa fréquence par la relation de Planck :

\[ E=h\nu \]

où \(h\) est la constante de Planck et \(\nu\) la fréquence du rayonnement électromagnétique.

Dans le domaine visible, l'absorption peut notamment provoquer des transitions entre différents états électroniques dans les atomes, les molécules ou les solides, à condition que les niveaux d'énergie du système et les règles de sélection permettent une telle transition.

Une fois transférée à la matière, cette énergie ne reste pas nécessairement concentrée dans une seule excitation. Elle peut être redistribuée par différents mécanismes microscopiques de relaxation.

Elle peut, par exemple, être transférée aux degrés de liberté vibrationnels des molécules, aux vibrations du réseau cristallin d'un solide, décrites quantiquement en termes de phonons, ou à d'autres formes d'excitation et de mouvement microscopique.

Dans de nombreux matériaux, une partie ou la totalité de l'énergie absorbée finit ainsi par être convertie en énergie thermique et contribue à augmenter l'énergie interne du matériau.

En termes plus simples, la lumière absorbée peut donc contribuer à réchauffer un objet.

Un exemple concret

Imaginons que la lumière d'une lampe éclaire une table de chevet.

Une partie de la lumière incidente est réfléchie ou diffusée. Certains des photons ainsi renvoyés atteignent nos yeux et nous permettent de voir la table de chevet.

Une autre partie du rayonnement incident est absorbée par le matériau.

Lorsqu'un photon est absorbé, son énergie et sa quantité de mouvement sont transférées au système matériel, conformément aux lois de conservation qui régissent l'interaction.

L'effet d'un seul photon sur un objet macroscopique est généralement négligeable. En revanche, lorsqu'un très grand nombre de photons sont absorbés, l'énergie qu'ils transfèrent collectivement peut devenir appréciable.

Que devient finalement le photon ?

Nous arrivons maintenant à la question centrale : lorsqu'un photon est absorbé, que devient-il exactement ?

Il ne faut pas se le représenter comme une minuscule bille de matière qui transporterait de l'énergie en elle. Lorsqu'un photon est absorbé, il ne laisse donc aucun résidu physique derrière lui, comme le feraient les débris d'un projectile microscopique.

En théorie quantique des champs, le photon est un quantum du champ électromagnétique, autrement dit une excitation quantifiée de ce champ.

Lorsqu'il est absorbé, le photon cesse d'exister en tant que photon. Son énergie et sa quantité de mouvement sont transférées au système avec lequel il interagit, conformément aux lois de conservation.

Il ne reste donc aucune enveloppe vide ni aucun résidu matériel. Le photon n'existe tout simplement plus en tant qu'excitation du champ électromagnétique.

Remarque. Le nombre de photons n'est généralement pas une grandeur conservée. Des photons peuvent être créés ou annihilés au cours de différents processus physiques. En revanche, l'énergie et la quantité de mouvement se conservent lorsque l'on considère l'ensemble du système impliqué dans l'interaction.

Cela ne signifie pas que les photons possèdent une durée de vie intrinsèque. Un photon qui se propage librement dans le vide est stable.

S'il n'interagit pas avec la matière et ne participe à aucun autre processus susceptible d'entraîner son absorption, sa diffusion ou sa transformation, il peut continuer à se propager dans l'espace. Les photons ne disparaissent donc pas simplement parce que nous éteignons la lumière. Ils cessent d'être présents dans la pièce parce que, en un temps extrêmement court, ils sont absorbés par la matière ou quittent la pièce.

Y a-t-il encore des photons dans une pièce plongée dans l'obscurité ?

Lorsque nous éteignons une ampoule, la lumière visible émise par la source disparaît rapidement de la pièce. Cela ne signifie pourtant pas que celle-ci soit dépourvue de rayonnement électromagnétique.

Même dans l'obscurité complète, des photons sont toujours présents autour de nous. Les murs, les meubles et les autres objets de la pièce émettent en permanence un rayonnement infrarouge, simplement parce que leur température est supérieure au zéro absolu.

Ces photons infrarouges ont généralement des fréquences et des énergies plus faibles que les photons de la lumière visible.

Aux températures habituelles d'une pièce, l'essentiel de ce rayonnement thermique se situe dans le domaine infrarouge du spectre électromagnétique.

Pour s'en faire une idée, considérons un corps noir à une température d'environ 20 °C. Le maximum de son spectre, lorsqu'il est exprimé par unité de longueur d'onde, se situe approximativement à

\[ \lambda\simeq10\,\mu m \]

Cette longueur d'onde est bien supérieure à celles de la lumière visible.

Nos yeux sont donc incapables de détecter directement ce rayonnement. Une pièce peut nous sembler plongée dans l'obscurité complète tout en étant parcourue par un rayonnement infrarouge.

Pourquoi ne voyons-nous pas le rayonnement thermique ?

La réponse tient aux caractéristiques de notre vision. L'œil humain n'est sensible qu'à une petite partie du spectre électromagnétique : celle que nous appelons la lumière visible.

Le rayonnement infrarouge émis par les objets à température ambiante se situe en dehors de ce domaine. Même s'il est présent tout autour de nous, nos yeux ne peuvent donc pas le percevoir comme de la lumière visible.

Cela ne signifie pas qu'il soit impossible à détecter. Il faut simplement utiliser un instrument sensible aux longueurs d'onde correspondantes.

Une caméra thermique, par exemple, détecte le rayonnement dans certaines bandes de l'infrarouge et exploite ces mesures pour produire une image que nous pouvons visualiser. Elle rend ainsi perceptible une partie du rayonnement que nos yeux sont incapables de détecter directement.

Un exemple concret

Imaginons que j'entre dans une pièce et que j'allume la lumière.

Je peux voir une table parce qu'une partie de la lumière émise par la lampe atteint sa surface, est réfléchie ou diffusée, puis parvient jusqu'à mes yeux.

J'éteins maintenant la lampe.

La lumière visible déjà présente dans la pièce continue à se propager pendant un intervalle extrêmement bref. Les photons sont rapidement absorbés par les surfaces ou quittent la pièce.

En très peu de temps, la table cesse d'être visible à mes yeux.

Elle n'a pourtant pas cessé d'émettre un rayonnement.

Comme sa température est supérieure au zéro absolu, elle continue à émettre un rayonnement thermique, principalement dans l'infrarouge.

C'est pourquoi une caméra thermique peut encore la détecter même lorsque, pour nos yeux, la pièce est plongée dans l'obscurité complète.

Le corps humain émet lui aussi des photons

Il en va de même pour notre propre corps. Le corps humain émet en permanence un rayonnement thermique et, par conséquent, des photons.

La température interne du corps se situe autour de 37 °C, tandis que celle de la peau est généralement plus basse et peut varier sensiblement selon les conditions ambiantes et de nombreux autres facteurs.

C'est pourquoi une personne peut apparaître nettement sur une image thermique lorsque la température à la surface de son corps diffère de celle de son environnement.

Le corps humain n'est toutefois pas nécessairement la source de rayonnement thermique la plus intense d'une pièce.

Un radiateur chaud, par exemple, peut atteindre une température de surface plus élevée. Son spectre d'émission thermique est alors différent et il peut émettre davantage d'énergie par unité de surface.

Les photons infrarouges peuvent-ils quitter la pièce ?

Tout dépend de ce qu'ils rencontrent sur leur trajet.

Le verre ordinaire d'une fenêtre est largement transparent à la lumière visible, ce qui nous permet de voir à travers. Son comportement est toutefois très différent aux longueurs d'onde caractéristiques de l'infrarouge thermique.

Aux alentours de 10 micromètres, le verre ordinaire est en grande partie opaque. Par conséquent, les photons infrarouges émis par notre corps ne traversent pas librement une fenêtre conventionnelle fermée.

Une partie de ce rayonnement infrarouge est absorbée par le verre, tandis qu'une autre est réfléchie.

Si nous ouvrons la fenêtre, la situation change. Une partie du rayonnement infrarouge peut alors se propager directement vers l'extérieur.

Une fois dans l'atmosphère, les photons peuvent connaître des destins différents. Certains sont absorbés par les gaz atmosphériques ou par les nuages.

D'autres peuvent parcourir des distances beaucoup plus grandes. Si leur longueur d'onde se situe dans l'une des fenêtres de transmission atmosphérique, ils peuvent traverser une grande partie de l'atmosphère et finir par atteindre l'espace.

En conclusion

Lorsque nous éteignons une ampoule, les photons déjà présents dans la pièce ne disparaissent pas instantanément. Nous interrompons simplement l'émission de nouvelle lumière par la source.

Les photons déjà émis continuent à se propager à la vitesse de la lumière. Ils peuvent être réfléchis ou diffusés par les surfaces, traverser certains matériaux, quitter la pièce ou être absorbés.

Lorsqu'un photon est absorbé, il cesse d'exister en tant que photon et transfère son énergie et sa quantité de mouvement au système avec lequel il interagit.

La pièce devient sombre très rapidement parce que les surfaces réelles ne sont pas des réflecteurs parfaits. À chaque interaction, une partie de la lumière visible est absorbée ou quitte la pièce. En très peu de temps, la quantité de lumière restante devient trop faible pour que nos yeux puissent la détecter.

Mais il faut retenir une distinction essentielle : obscurité ne signifie pas absence de photons.

Même lorsque la lampe est éteinte, les murs, les meubles, les objets et notre propre corps continuent à émettre un rayonnement thermique, principalement dans l'infrarouge.

Éteindre la lumière ne fait donc pas disparaître le rayonnement électromagnétique présent dans la pièce.

La pièce devient obscure pour nos yeux, mais tout autour de nous se poursuit en permanence un échange de rayonnement électromagnétique que nous ne pouvons tout simplement pas voir.