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Le ralentissement de la lumière lorsqu’elle traverse des matériaux tels que le verre ou l’air est un sujet captivant pour les physiciens. Ce phénomène complexe implique une interaction subtile entre la lumière et les particules des matériaux, ce qui ouvre la voie à différentes perspectives en physique.
La lumière comme une onde électromagnétique
Selon la théorie bien établie de James Clerk Maxwell, un génie écossais du XIXe siècle, la lumière se propage dans l’espace sous forme d’ondes électromagnétiques. Une onde électromagnétique est une perturbation qui se propage dans l’espace et qui est composée d’un champ électrique et d’un champ magnétique. Ces champs varient en fonction du temps et de la position, et ils sont perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation.
Maxwell a montré que la vitesse de propagation d’une onde électromagnétique dans le vide est constante et égale à environ 300 000 km/s. Mais que se passe-t-il quand cette onde rencontre un matériau ? Maxwell explique que le matériau est constitué de particules chargées, comme les protons et les électrons, qui sont sensibles aux champs électriques et magnétiques. Quand l’onde lumineuse arrive sur le matériau, elle fait vibrer ces particules, qui produisent à leur tour leurs propres ondes électromagnétiques.
Ces ondes secondaires interfèrent avec l’onde primaire, c’est-à-dire qu’elles s’ajoutent ou se soustraient selon leur phase. Le résultat est un bazar géant, où seules les ondes qui vont dans la même direction que l’onde initiale survivent. Mais comme ces ondes sont légèrement décalées dans le temps par rapport à l’onde primaire, elles avancent moins vite. C’est ainsi que Maxwell explique le ralentissement de la lumière dans la matière.
La lumière comme un flux de photons
Une autre théorie est celle de Richard Feynman, un physicien américain du XXe siècle qui a révolutionné la mécanique quantique. La mécanique quantique est la théorie qui décrit le comportement des particules élémentaires, comme les photons, les électrons ou les quarks. Ces particules ont des propriétés étranges, comme le fait qu’elles peuvent se comporter comme des ondes ou comme des corpuscules selon les situations.
Feynman considère que la lumière est faite de particules appelées photons, qui peuvent se comporter comme des ondes quand ils sont nombreux. Quand ces photons entrent dans un matériau, ils interagissent avec les particules chargées en étant absorbés et réémis. Mais ces photons ne sont pas ordinaires, ce sont des photons virtuels, qui servent à décrire la force électromagnétique entre les particules chargées.
Feynman a inventé une méthode pour calculer toutes les trajectoires possibles de ces photons virtuels, et en faire une moyenne. Cette moyenne élimine tous les photons qui partent dans des directions différentes de la lumière initiale. Mais ces interactions prennent du temps, et ralentissent donc la lumière.
La lumière comme un polariton
Une approche innovante considère le matériau lui-même comme étant constamment en mouvement en raison des vibrations de ses atomes. La matière peut vibrer de différentes façons, et ces vibrations peuvent être décrites par des particules fictives appelées phonons.
À l’instar des photons virtuels, le phonon est un type de particule fictive qui présente de nombreux avantages. Il permet aux physiciens d’exprimer les vibrations d’un matériau en utilisant le code de la mécanique quantique.
Lorsque les photons et les phonons se rencontrent, ils forment une nouvelle entité : un polariton. Ce polariton a des caractéristiques proches de celles de ses parents, mais il a surtout une vitesse plus faible que celle de la lumière. Cette vitesse dépend du type de matériau (les phonons). Selon ce point de vue, ce n’est pas la lumière qui traverse le matériau, mais le polariton. Cette perspective est très pratique, car elle permet de simplifier les calculs en utilisant un objet simple qui contient déjà toutes les informations nécessaires.