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  • Les photons ont-il une masse?

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 #21107    par maximey
 lundi 12 novembre 2012 à 11:24
Petite question de néophyte....
Si un photon n'a pas de masse, pourquoi est il dévié par la gravitation ? Par exemple dans un trou noir.
 #21109    par kyss191
 lundi 12 novembre 2012 à 11:34
La gravitation n'agit pas que sur les objets qui ont une masse. Un objet massif déforme l'espace-temps autour de lui (le courbe) si bien que tout ce qui passe par là est dévié de la ligne droite, est "attiré".
 #21119    par maximey
 lundi 12 novembre 2012 à 12:37
Ok la gravitation donc cela Enstein avec une déformation de l'espace-temps (comme une bille tournant dans un evier, jusqu'à tomber dans le trou) plutot que la classique idée de la gravitation Newtonienne.
 #21142    par bongo
 mardi 13 novembre 2012 à 22:38
En fait il y a plusieurs façons de voir les choses, mais je préviens ce que je dis est faux, mais ça aide à vulgariser pour arriver sur l'approche de la relativité générale.

Tout d'abord pour commencer, si tu appliques les lois de Newton, tu vois que tout corps doté d'une masse subit une force gravitationnelle. Cependant, la trajectoire du corps ne dépend pas de la masse de l'objet, cette trajectoire ne dépend que de la position initiale de l'objet, et de son vecteur vitesse. En d'autres termes, lancer une bille de billard, ou une boule de bowling, à la même vitesse, tu auras exactement la même trajectoire... donc la trajectoire d'un corps ne dépend pas de sa masse...

Donc a priori... en passant à la limite... le photon doit également subire l'attraction gravitationnelle. Si ça te gêne et que tu veux vraiment attribuer une masse à un photon, tu peux essayer de diviser l'énergie transportée par le photon par la vitesse de la lumière au carré.

Bon, ceci étant dit, passons aux choses rigoureuses...
Le principe d'équivalence dit qu'en présence d'un champ de gravitation dans un référentiel en chute libre (assez petit), les lois de la relativité restreinte sont vraies, donc la lumière se déplace en ligne droite. (idée d'invariance de jauge locale).
Vu d'un référentiel immobile subissant ce champ de gravitation, le photon a une trajectoire courbe.
 #21199    par bongo
 vendredi 16 novembre 2012 à 13:29
Dwo a écrit :quelqu'un peut expliquer ca? Puisque e=mc², si le photon à une energie en bougeant, si il est a l'arret, il'energie devrait etre converti en masse non? La il est dis que sa masse au repos est nulle :shock:
Je vais essayer de répondre avec beaucoup de retard.

Premièrement : nécessité d’un référentiel : parler d’un photon au repos n’a aucun sens. En effet, pour mesurer la vitesse d’un objet, il faut définir le référentiel. C’est comme si tu disais que Bourges est au nord. Au nord par rapport à quoi ? Sachant Bourges est au sud de Paris, mais au nord de Marseille. C’est pourquoi le référentiel doit être défini en premier. On se doute bien qu’en attrapant cette phrase, on n’a pas d’information, mais les personnes qui parlaient étaient dans la même ville, on peut supposer que c’était une conversation entre deux personnes qui habitent dans le Massif Central, et dans ce cas, le référentiel est implicite.
Par contre, il n’y a rien qui soit plus au nord que le pôle nord. On peut très bien dire : le pôle nord est au nord, il n’y a pas besoin de préciser un référentiel, étant donné ma remarque précédente.

Deuxièmement : vitesse d’un mobile
Par analogie avec ce qui a été dit précédemment, dire que l’on court à 20 km/h n’a pas de signification en soit, étant donné que 20 km/h, on s’attend à savoir par rapport à quoi. Evidemment nous sommes tous terriens, et tout le monde comprend qu’il y a un référentiel implicite et naturel, qui est la terre. Donc courir à 20 km/h, ça veut dire par rapport à la terre. Je peux très bien courir à 20 km/h par rapport à un train en mouvement à 300 km/h, ce n’est pas du tout pareil.
De la même façon que le pôle nord est au nord par rapport à tout endroit, la vitesse de la lumière est la même dans tous les référentiels quelque soit le mouvement.

Donc parler d’un photon au repos… c’est tout bonnement impossible, un photon a une vitesse donnée : la vitesse de la lumière, même si on court derrière un photon, sa vitesse par rapport à nous sera toujours de 299 792 458 m/s, même si on court après lui à 299 792 457 m/s (imaginons que j’aie de grosses jambes puissantes). Ah oui, j’oubliais, je parle de vitesses mesurées dans le référentiel terrestre (on mesure la vitesse du faisceau que j’essaie de rattraper, et ma vitesse de course dans le référentiel terrestre), je mesure dans mon référentiel la même vitesse de la lumière : 299 792 548 m/s.

Energie d’un photon
Bon ok, si la vitesse de la lumière est toujours pareil quelque soit ma vitesse, alors qu’est-ce qui change ? Un impact d’une voiture contre une voiture au repos libère une quantité d’énergie, mais un impact de deux voitures roulant en sens inverse est encore plus violent (l’énergie est plus importante). Pour le photon, c’est pareil, si je lui cours après, il me fuira toujours à la même vitesse (ça marche aussi pour les filles), par contre l’énergie du photon va changer, et son énergie va se traduire par sa couleur (ou fréquence).
Par exemple, si le faisceau est bleu vu de la terre, et si je lui cours après, à une certaine vitesse, le faisceau fuit à la même vitesse, mais ce sera un faisceau… plutôt rouge. Et comme la quantité de mouvement est proportionnelle à son énergie, l’impact sera d’autant moins grand si je cours dans la même direction et le même sens qu’un photon. Un impact d’un photon rouge fait un peu moins mal qu’un photon bleu.

Conclusion
Un photon court toujours à la vitesse de la lumière, et ne peut pas être arrêté.
Et pour e=mc², si c=0 alors e=0 et m=e/c² or 0/c²=0 donc m=0 et je dirais même que m est indéfinit car on aurait m=0/0² ce qui n'est pas possible si mes souvenirs sont bons et c'est effectivement ce qui est dit, c'est donc cohérent.
Attention, pour l’équation E=mc², les deux variables c’est l’énergie et la masse, c est une constante.
On n’a pas dit : e=mv² (dans ce cas v serait la vitesse d’un objet mesuré dans un référentiel donné), mais on a dit e=mc² (donc c ne vaut pas 0).
Donc si je reprends le raisonnement : E=mc².
Comme m=0, E=0, cependant cette équation n’est valable que pour un objet ayant une masse donnée. Il se trouve que le photon a une énergie proportionnelle à sa quantité de mouvement : E=pc, mais E est relié à la fréquence par la relation d’Einstein E = h\nu.
Donc si je reviens aux paragraphes précédents, si E diminue, p diminue, ainsi que \nu (la fréquence, et donc la couleur change).
On peut d'ailleur se demander ce qu'il en est dans un trou noir : les photos sont à l'arrêt dns un trou noir, en tout cas, ils ne bougent plus à cause du ralentissement, puis de l'arrêt du temps théorique qui se produit dedans. Plus leur vitesse serait lente, plus leur masse devrait augmenter mais celà voudrait dire qu'un trou noir augmente sa masse en absorbant non pas de la matière mais de l'énergie...
On ne sait pas ce qui reste d’un photon dans un trou noir. Il est probable qu’il se fasse absorber (tout comme ce que fait un photon dans notre œil).
Et en effet, un trou noir augmente sa masse en absorbant que ce soit de la masse ou de l’énergie.

On peut prendre un exemple plus « familier ». Un noyau atomique dans un processus de désintégration.
X* -> X + photon
X* est plus lourd que X.
Et oui, la courbure de l'espAce temps est bien une résultant de la gravité mais à ce que je sache, la lumière ne courbe pas l'espace, seule la gravité des objets massif le fait et la lumière se contente de suivre ces courbures, elle n'en produit pas elle même.
En fait la lumière c’est de l’énergie, et… de l’énergie courbe l’espace-temps (ça fait partie du tenseur énergie-impulsion, la densité d’énergie est une source de gravitation).

Qu’est-ce qu’un photon au repos ?
Cela n’a pas de sens physiquement. Mais on peut considérer une expérience de pensée. On lance un faisceau de lumière vers moi, et j’essaie de fuir ce faisceau. A mesure que j’approche de la vitesse de la lumière, qu’est-ce que je pourrai voir ?
Comme vu plus haut, l’énergie et donc la fréquence du photon va se décaler vers la grande longueur d’onde. Au départ le faisceau était bleu, plus ma vitesse augmente et plus la couleur du faisceau se décale, vert, puis jaune, puis orange puis rouge… puis… je ne vois plus le faisceau. Est-ce que ce serait possible que le photon ait disparu ? Non je sens quelque chose de chaud, je sors mes lunettes infrarouge et je vois le faisceau.
Je continue à augmenter ma vitesse et la fréquence du photon se décale vers le spectre de l’infrarouge proche, puis lointain, puis les micro ondes, puis les ondes radar, puis les ondes radio etc… puis… quand ma vitesse tend vers c, l’énergie du photon tend vers 0.

Dualité onde-corpuscule
Toutes particules se comporte de cette façon, c'est-à-dire que si on demande où est la particule, on voit un impact ponctuel, on sait par quelle fente d’Young la particule est passée, mais on ne voit pas d’interférence. Par contre quand on ne cherche pas à savoir sa trajectoire, c’est un phénomène ondulatoire qui se manifeste, on voit une figure d’interférence. Et puis quand on diminue l’intensité jusqu’à envoyer une particule à la fois… on voit chaque impact se produire un peu aléatoirement, mais plus les impacts s’accumulent et plus on reconnaît la figure d’interférence.
Les physiciens interprètes la partie ondulatoire comme étant une fonction d’onde, dont l’amplitude donne la probabilité de trouver la particule en un point. Ca c’est l’interprétation de Copenhague. Mais bien-sûr il y en a d’autre, notamment celle de Bohm De Broglie (qui donne les mêmes résultats que la mécanique quantique) ou celle d’Hugues Everett.

Je crois que j’ai fait le tour des questions qui étaient posées sur le topic.
Merci d’avoir lu mon pavé.

A votre disposition pour approfondir un point particulier.
 #21202    par MIMATA
 vendredi 16 novembre 2012 à 14:33
Merci pour toutes ces explications très claires.

1 - Est-ce que l'on peut dire que le photo a une vitesse constante quelque soit le référentiel ?

2 - Est-ce que c'est en fait l'énergie d'un photon qui varie en fonction du référentiel ?

Je ne comprends pas bien pourquoi l'énergie du photon peut varier en fonction du fait qu'on le fuit ou qu'on va a sa rencontre si sa vitesse ne change pas...
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