Comment Einstein a-t-il découvert l’univers quantique et créé le photon ?
Au début du XXe siècle, une expérience révolutionnaire connue sous le nom d’effet photoélectrique a révolutionné notre compréhension de la lumière et des électrons.
Contrairement aux attentes, le comportement des électrons sous l’influence de la lumière n’était pas conforme aux théories classiques de l’électromagnétisme. Grâce à cette expérience, Albert Einstein a découvert l'existence des photons, ce qui a marqué un changement remarquable dans notre compréhension de l'univers physique.
Traditionnellement, on croyait que la lumière se propageait sous forme d’ondes d’électricité et de magnétisme, comme l’a expliqué James Clerk Maxwell. Selon cette compréhension, les électrons accumulaient progressivement de l’énergie lumineuse jusqu’à atteindre un seuil d’énergie leur permettant de s’échapper de leur surface métallique.
Cependant, l’effet photoélectrique a révélé des résultats surprenants. Seule la lumière au-dessus d’une certaine fréquence était capable de libérer des électrons et, quelle que soit l’intensité de la lumière, les électrons repartaient toujours avec le même niveau d’énergie.
La solution d'Einstein
Einstein a rapidement proposé une solution ingénieuse à cette énigme. Il a pensé que la lumière elle-même était quantifiée et existait sous forme de paquets discrets d’énergie appelés photons. Ces unités indivisibles de matière lumineuse se comportent comme s'il s'agissait d'ondes lorsqu'elles sont fusionnées, mais leur nature particulaire devient apparente lorsqu'elles sont examinées individuellement.
Contrairement aux ondes continues, les photons ne peuvent pas être divisés en proportions fractionnaires. Au lieu de cela, ils se présentent sous forme de multiples entiers, analogues à une unité, deux unités, etc.
La découverte révolutionnaire d'Einstein a résolu l'énigme de l'effet photoélectrique. L’énergie nécessaire aux électrons pour s’échapper d’un métal dépend uniquement de la fréquence de la lumière, et non de sa luminosité ou de son intensité. Des fréquences plus élevées correspondent à des photons plus énergétiques. Une énergie insuffisante dans les photons les plus lents empêche les électrons de se libérer.
La collision des photons avec les électrons transmet une quantité fixe d’énergie, ce qui explique pourquoi les électrons s’échappent de manière constante et uniforme. La découverte des photons par Einstein a mis en lumière la nature quantique sous-jacente de la lumière, révélant un monde microscopique qui défiait la compréhension classique.
Cette révélation a constitué une étape cruciale dans le progrès scientifique, valant à Einstein le prix Nobel et ouvrant la voie à une plus grande exploration des particules quantiques et de leurs comportements complexes.
Référence d'actualité Sutter P., Comment Einstein a déverrouillé l'univers quantique et créé le photon. L'univers aujourd'hui (2023).