Lorsque je pointe ma torche électrique vers le ciel, jusqu'où les photons vont-ils aller avant de retomber sur terre ?
Question d'origine :
Lorsque je pointe la nuit, ma troche électrique vers le ciel, jusqu'où les photons vont aller avant de retomber sur terre, puisqu’ils ont une masse et seront donc attirés par la gravité, comme la balle d'une fusil.
ou alors est-ce que la lumière émise est de l'énergie (lumineuse) qui est ou qui n'est plus, selon la position de l'interrupteur de la torche ?
Merci
Réponse du Guichet
Les photons n’ont pas de masse, ils ont de l’énergie. Ainsi, ils ne seront jamais accélérés ou freinés par un champ de gravité. La lumière émise est une onde lumineuse (onde électromagnétique) composée de photons.
Bonjour,
Tout d’abord, votre première théorie est erronée. En effet, le photon a une masse nulle. Il peut donc se déplacer dans le vide à la vitesse de la lumière. De plus, il ne possède aucune charge électrique mais il a de l’énergie. Il s’agit d’une particule élémentaire.
Voici un article de Sciences et Vie qui nous éclaire sur la masse du photon.
«[…] La difficulté tient à la définition même de la masse. Au sens classique, celui de Newton, il s’agit de la qualité intrinsèque d’un objet, mesurant sa quantité de matière et invariable quel que soit son mouvement. Newton a montré que c’est la masse qui fait accélérer un objet lorsqu’il est placé dans un champ de gravité ; qui le fait “peser” lorsqu’il ne peut bouger ou qui oblige à utiliser une force pour le mettre en mouvement. Une force d’autant plus intense que ladite masse est importante…
La théorie de la relativité a intégré ce concept newtonien sous le terme de “masse au repos”. Or, un photon n’a pas de masse au repos car il n’est jamais au repos : sa vitesse, qui vaut 299 792 458mètres par seconde (c), est constante quelle que soit son énergie (couleur). Il ne sera ni accéléré ni freiné par un champ de gravité ; celui-ci modifiera son énergie mais pas sa vitesse. Enfin, quand on parle d’un photon qui “tombe” dans un trou noir, cela est dû à la courbure de l’espace-temps aux abords du trou et non à l’effet de l’attraction gravitationnelle au sens classique.
Bref, le photon échappe à tous les phénomènes qui témoignent de la présence d’une masse au sens classique, ce en dépit des tentatives expérimentales menées pour la détecter. Donc, jusqu’à preuve du contraire, le photon n’a pas de masse, sans que cela contredise sa nature énergétique. Remarquons néanmoins que si on trouvait une masse au photon, cela ne mettrait pas à mal la théorie de la relativité : la célèbre “vitesse de la lumière” (c) demeurerait une constante universelle indiquant une limite physique indépassable –qu’il faudrait alors songer à rebaptiser puisque la lumière, si elle a une masse, se déplacerait alors nécessairement à une vitesse inférieure à c…»
Donc que se passe-t-il quand je pointe ma lampe torche allumée vers le ciel nocturne?
Pour comprendre ce phénomène, revenons sur le fonctionnement d’une lampe torche :
«La plupart des lampes de poche d'aujourd'hui fonctionnent avec des diodes électroluminescentes ou LED (pour light emitting diode). L'émetteur de lumière est une jonction entre deux semi-conducteurs, qui a la propriété d'émettre un photon pour chaque électron qui la traverse. L'énergie électrique est directement convertie en lumière. Par conséquent, le nombre de photons émis est égal au nombre d'électrons qui traversent la jonction.
Une pile alcaline de type R03 fournit, au long de sa vie, une charge de l'ordre de l'ampère-heure, soit 2 × 1022électrons. Ce nombre représente un trentième de mole.» Source : Pour la science
Votre lampe va donc émettre une certaine quantité de photons qui vont «traverser» l’atmosphère pour atteindre l’espace. Plus la puissance et la focalisation de votre lampe sera forte, plus la portée sera grande et visible de l'espace. Néanmoins, certains photons seront absorbés par les particules de l’air et les molécules composant celle-ci. En effet, l’air est un milieu dispersif et dissipatif. Pour faire simple, une onde se propageant dans ce milieu va faiblir. Les photons vont se disperser.
Pour en savoir plus :
Lumière [Livre] : le spectre visible et au-delà / Kimberly Arcand et Megan Watzke
Bonne journée.