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Qu'est-ce que l'électromagnétisme ? Comment électricité et magnétisme s’entremêlent dialectiquement dans le vide quantique ? - Matière et Révolution
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Qu’est-ce que l’électromagnétisme ? Comment électricité et magnétisme s’entremêlent dialectiquement dans le vide quantique ?

lundi 21 novembre 2011, par Robert Paris

« Maxwell explique les attractions électrostatiques par des pressions et des tensions qui régneraient dans le milieu diélectrique. »

Henri Poincaré dans « La science et l’hypothèse »

« Un électron isolé se déplaçant à travers l’éther engendre un courant électrique, c’est-à-dire un champ électro-magnétique. Ce champ correspond à une certaine quantité d’énergie localisée, non dans l’électron, mais dans l’éther. »

Henri Poincaré dans « La Mécanique nouvelle »

Qu’est-ce que l’électromagnétisme ?

Il convient d’abord de rappeler que les matières ayant une masse n’ont pas de contact direct entre elles. Elles n’interagissent (par l’électromagnétisme ou par d’autres interactions) que grâce à l’espace vide qui les entoure et qu’elles transforment par leur présence. C’est ce que l’on appelle le champ. Cette transformation de l’espace par les matières est ce qui empêche celles-ci de s’écraser les unes sur les autres. Les transformations de l’espace vide induisent des répulsions quand les matières se situent à courte distance. L’électromagnétisme, c’est la découverte que plusieurs champs sont en fait identiques : celui de la lumière, celui des interactions électriques et celui des interactions magnétiques.

Il est courant d’entendre dire que c’est un champ électrique plus un champ magnétique. Mais que veut dire "plus" ? Que veut dire "champ" ? Qu’est-ce que cela représente par rapport à la vision quantique, à la dualité onde/corpuscule ? Quel type de lien entre champ électrique et champ magnétique ? Quelle réalité physique du champ ?

Petit historique

Faraday a découvert par la voie expérimentale que la modification du champ magnétique induisait un champ électrique. Il en a déduit sa loi d’induction à laquelle Maxwell donnait une base mathématique. Maxwell, ne s’en tenant pas là, imaginait avec juste raison que l’inverse était également vrai : une variation du champ électrique entraînait une variation du champ magnétique. La théorie mathématique de Maxwell qui en était déduite est celle des rétroactions des champs magnétique et électrique.

Le grand changement fut opéré par Faraday, Maxwell et Hertz - à vrai dire d’une façon quelque peu inconsciente et contre leur volonté. Tous les trois, tout au long de leur vie, se considérèrent comme adhérents de la théorie mécanique. Hertz avait trouvé la forme la plus simple des équations du champ électromagnétique et déclara que toute théorie conduisant à ces équations était une théorie du même genre que celle de Maxwell. Mais vers la fin de sa courte existence il composa un écrit où il présentait comme fondement de la physique une théorie mécanique affranchie du concept de force.

Pour nous, qui avons pour ainsi dire sucé les idées de Faraday avec le lait de notre mère, il est difficile d’apprécier leur grandeur et leur audace. Faraday, avec son instinct sûr, a dû comprendre combien sont artificielles toutes les tentatives de rattacher les phénomènes électromagnétiques aux actions à distance entre particules électriques réagissant l’une sur l’autre. Comment dans la limaille de fer répandue sur une feuille de papier chaque grain pouvait-il connaître les particules électriques circulant dans un conducteur placé tout près ? Toutes ces particules électriques ensemble paraissaient créer dans l’espace environnant un état qui, à son tour, produisait un certain ordre dans la limaille. Ces états de l’espace, appelés aujourd’hui champs, une fois qu’on aura bien compris leur structure géométrique et la manière dont ils agissent solidairement, pourraient, pensa-t-il, expliquer les mystérieuses interactions électromagnétiques. Il concevait ces champs comme des états de tension mécanique dans un milieu qui remplit l’espace, pareils aux états de tension dans un corps élastiquement distendu. Car en ce temps c’était la seule façon dont on pouvait concevoir des états qui étaient apparemment distribués d’une manière continue dans l’espace. Le caractère particulier de l’interprétation mécanique de ces champs resta à l’arrière-plan - une sorte d’apaisement de la conscience scientifique en face de la tradition mécanique du temps de Faraday. A l’aide de ces nouveaux concepts de champ Faraday réussit à former une conception qualitative de tout le complexe d’effets électromagnétiques découverts par lui et ses prédécesseurs.

L’énoncé précis des lois de ces champs dans l’espace-temps fut l’oeuvre de Maxwell. Représentons-nous les sentiments qu’il a dû éprouver quand les équations différentielles qu’il avait formulées lui prouvèrent que les champs électromagnétiques se propagent sous la forme d’ondes polarisées et avec la vitesse de la lumière ! Il fut donné à peu d’hommes au monde de faire une telle expérience. A ce moment émouvant il ne soupçonnait sûrement pas que la nature énigmatique de la lumière, en apparence si complètement éclaircie, continuerait à déconcerter les générations suivantes. En attendant , les physiciens mirent quelques décades pour saisir la pleine signification de la découverte de Maxwell, tellement fut audacieux le bond en avant que son génie marqua sur les conceptions de ses contemporains. C’est seulement après que Hertz eut démontré expérimentalement l’existence des ondes électromagnétiques de Maxwell que la résistance à la nouvelle théorie fut vaincue.

Mais si le champ électromagnétique pouvait exister comme une onde indépendante de la source matérielle, alors l’interaction électrostatique ne pouvait plus être expliquée comme une action à distance. Et ce qui était vrai pour l’action électrique ne peut pas ne pas l’être pour la gravitation. Partout les actions à distance de Newton cédèrent la place aux champs se propageant avec une vitesse finie. Des fondements de Newton ne restèrent maintenant que les points matériels soumis à la loi du mouvement. Mais J.J. Thomson montra qu’un corps en mouvement chargé d’électricité doit, conformément à la théorie de Maxwell, posséder un champ magnétique dont l’énergie agissait précisément comme le fait un accroissement d’énergie cinétique du corps. Si, donc, une partie de l’énergie cinétique est constituée d’énergie de champ, ceci ne pourrait-il pas être vrai de toute l’énergie cinétique ? Peut-être la propriété fondamentale de la matière, son inertie, pourrait-elle être expliquée à l’aide de la théorie du champ !

La question conduisit au problème d’une interprétation de la matière en termes de la théorie du champ, dont la solution fournirait une explication de la structure atomique de la matière. On se rendit bientôt compte que la théorie de Maxwell ne pouvait pas réaliser un tel programme. Depuis lors plusieurs savants ont cherché avec ardeur à compléter la théorie du champ par quelque généralisation qui comprendrait une théorie de la matière ; mais jusqu’ici de tels efforts n’ont pas été couronnés de succès. Pour construire une théorie, il ne suffit pas d’avoir une claire conception du but. Il faut aussi avoir un point de vue formel qui permette de restreindre suffisamment la variété illimitée des possibilités.

Jusqu’à présent on ne l’a pas trouvé ; par conséquent, la théorie du champ n’a pas réussi à fournir une base à toute la physique. Pendant plusieurs décades la plupart des physiciens eurent la conviction qu’une substructure mécanique pourrait être trouvée pour la théorie de Maxwell. Mais les résultats peu satisfaisants de leurs efforts firent qu’on accepta graduellement les nouveaux concepts du champ comme des principes fondamentaux irréductibles - en d’autres termes, les physiciens se résignèrent à abandonner l’idée d’une base mécanique. Les physiciens s’en tinrent ainsi au programme d’une théorie du champ. Mais celle-ci ne pouvait pas être considérée comme une base, puisque personne ne pouvait dire si une théorie cohérente du champ pourrait jamais expliquer, d’une part, la gravitation et, d’autre part, les composants élémentaires de la matière. Dans cet état de choses il était nécessaire de considérer les particules matérielles comme des masses ponctuelles soumises aux lois du mouvement de Newton. C’est ainsi que procéda Lorentz en créant sa théorie des électrons et la théorie des phénomènes électromagnétiques des corps en mouvement. Voilà où en étaient les conceptions fondamentales au commencement de ce siècle.

Un immense progrès avait été réalisé dans l’intelligence théorique de groupes entiers de nouveaux phénomènes, mais l’établissement d’une base unifiée pour la physique semblait, en vérité, loin. Et cet état de choses fut même aggravé par les développements qui suivirent. Le développement pendant notre siècle est caractérisé par deux systèmes théoriques essentiellement indépendants l’un de l’autre : la théorie de la relativité et la théorie des quanta. Les deux systèmes ne se contredisent pas directement l’un l’autre, mais ils semblent peu appropriés à fusionner en une théorie unique. Nous devons brièvement discuter l’idée fondamentale de ces deux systèmes. La théorie de la relativité naquit des efforts en vue d’améliorer, quant à l’économie logique, les fondements de la physique tels qu’ils existaient au commencement de ce siècle.

La théorie de la relativité appelée restreinte est basée sur le fait que les équations de Maxwell (et, ainsi, la loi de la propagation de la lumière dans le vide) sont transformées en équations de la même forme quand elles subissent une transformation de Lorentz. Cette propriété des équations de Maxwell est complétée par notre connaissance empirique assez bien assurée du fait que les lois de la physique sont les mêmes relativement à tous les systèmes d’inertie. Ceci conduit au résultat que la transformation de Lorentz - appliquée aux coordonnées d’espace-temps - doit gouverner le passage d’un système d’inertie à un autre. Le contenu de la théorie de la relativité restreinte peut, par conséquent, être résumé en une seule proposition : toutes les lois de la nature doivent satisfaire à la condition d’être covariantes relativement aux transformations de Lorentz.

De là il suit que la simultanéité de deux événements distants n’est pas un concept invariant et que les dimensions des corps rigides et la vitesse des horloges dépendent de leur état de mouvement. Une autre conséquence était la modification de la loi du mouvement de Newton dans les cas où la vitesse d’un corps donné n’était pas petite comparée à la vitesse de la lumière. De là découlait en outre le principe de l’équivalence de la masse et de l’énergie, et les lois de la conservation de la masse et de l’énergie se fondirent en une seule loi. Une fois qu’il fut prouvé que la simultanéité était relative et dépendait du système de référence, toute possibilité de maintenir les actions à distance dans les fondements de la physique disparut, étant donné que ce concept présupposait le caractère absolu de la simultanéité (il doit être possible de constater la position des deux points matériels agissant l’un sur l’autre "au même moment").

La théorie de la relativité générale doit son origine à la tentative d’expliquer un fait connu depuis le temps de Galilée et de Newton, mais qui se dérobait à toute interprétation théorique : l’inertie et le poids d’un corps, en eux-mêmes deux choses entièrement distinctes, sont mesurés par une seule et même constante, la masse. De cette correspondance il s’ensuit qu’il est impossible de découvrir par l’expérience, si un système donné de coordonnées est accéléré, ou si son mouvement est rectiligne et uniforme et qu’alors les effets observés sont dus à un champ de gravitation (ceci est le principe d’équivalence de la théorie de la relativité générale). Les concepts du système d’inertie sont mis en pièces dès qu’on introduit la gravitation. Il convient de faire remarquer ici que le système d’inertie est un point faible de la mécanique de Galilée et de Newton. Car il y est présupposée une propriété mystérieuse de l’espace physique, déterminant le type de systèmes de cordonnées pour lesquels la loi de l’inertie et la loi du mouvement de Newton sont vraies. Ces difficultés peuvent être évitées grâce au postulat suivant : les lois de la nature doivent être formulées de telle sorte que leur forme reste identique pour des systèmes de coordonnées dans n’importe quel type d’états de mouvement.

C’est en cela que consiste la tâche de la théorie de la relativité générale. D’autre part, nous déduisons de la théorie de la relativité restreinte l’existence d’une métrique Riemannienne dans le continuum d’espace-temps, qui conformément au principe de l’équivalence, décrit et le champ gravifique et les propriétés métriques de l’espace. En supposant que les équations du champ de gravitation sont des équations différentielles du second ordre, la loi du champ est clairement déterminée. A côté de ce résultat, la théorie libère la physique du champ de l’incapacité dont elle souffrait, en commun avec la mécanique newtonienne, d’attribuer à l’espace ces propriétés physiques indépendantes qui, autrefois, avaient été cachées par l’emploi d’un système d’inertie. Mais on ne saurait prétendre que les parties de la relativité générale qui peuvent aujourd’hui être considérés comme achevées aient doté la physique de fondements complets et satisfaisants.

En premier lieu, le champ total y paraît être composé de deux parties qui sont sans lien logique : la gravitation et l’électromagnétisme. En second lieu, la théorie, semblable aux théories du champ plus anciennes, n’a pas jusqu’à présent fourni une explication de la structure atomique de la matière. Cet insuccès est probablement en connexion avec le fait qu’elle n’a jusqu’à présent contribué en rien à l’intelligence des phénomènes quantiques. Pour rendre compte de ces phénomènes, les physiciens ont été forcés d’adopter des méthodes entièrement nouvelles, dont nous allons maintenant discuter la caractéristique fondamentale.

Louis de Broglie, dans « La physique nouvelle et les quanta » :

« Après avoir montré que le rotationnel du champ magnétique est égal à la densité du courant électrique, donnant ainsi naissance à l’électromagnétisme, (…) Maxwell, après avoir écrit les lois générales des phénomènes électriques, s’aperçut de la possibilité de considérer la lumière comme une perturbation électromagnétique. Par là, il a fait rentrer toute la science de l’optique à l’intérieur des cadres de l’électromagnétisme, réunissant ainsi deux domaines qui semblaient entièrement distincts. (…) La théorie électromagnétique de Maxwell fournissait des équations représentant exactement à notre échelle la liaison entre les champs électromagnétiques mesurables d’une part, les charges et les courants électriques d’autre part. Obtenues en réunissant en un seul système formel le résultat des expériences macroscopiques, leur valeur était incontestable dans ce domaine. Mais pour décrire le détail des phénomènes électriques au sein de la matière et à l’intérieur des atomes, pour prévoir les rayonnements émis ou absorbés par les particules matérielles ultimes, il fallait extrapoler les équations de Maxwell et leur donner une forme applicable à l’étude des phénomènes de l’échelle atomique et corpusculaire. C’est ce que fit, avec plus de hardiesse qu’il ne peut paraître au premier abord, un des grands pionniers de la physique théorique moderne, H.A. Lorentz.

Lorentz prit comme point de départ l’idée d’introduire dans les équations de l’électromagnétisme la structure discontinue de l’électricité. (…) En opérant des moyennes sur les phénomènes microscopiques élémentaires, on peut repasser des équations de Lorentz aux équations de Maxwell. (…) La théorie des électrons, édifiée sur les bases que nous venons d’esquisser, a conduit à d’importants succès pour la prévision d’un grand nombre de phénomènes. Elle a d’abord permis de retrouver l’interprétation des lois de la dispersion. Elle a ensuite, et cela a été sans doute son plus important succès, permis de prévoir d’une façon exacte l’effet Zeeman normal, c’est-à-dire la façon dont les raies spectrales émises par un atome sont affectées dans le cas le plus simple par la présence d’un champ magnétique uniforme. (…) La théorie des électrons a aussi paru apporter la solution d’un problème capital : l’origine de l’émission des rayonnements par la matière. D’après les équations de Lorentz, un électron animé d’un mouvement rectiligne et uniforme transporte avec lui globalement son champ électromagnétique et, par suite, il n’y a dans ce cas aucune émission d’énergie dans l’espace environnant. Mais si le mouvement d’un électron comporte une accélération, on peut démontrer qu’il y a émission d’une onde électromagnétique et l’énergie ainsi perdue à chaque instant par l’électron est proportionnelle au carré de son accélération. (…) Si l’on veut interpréter le rayonnement des atomes par le mouvement des électrons intra-atomiques, il faut supposer qu’à l’état normal les électrons intérieurs à l’atome sont immobiles ; sans quoi, obligés de se mouvoir à l’intérieur du très petit domaine de l’atome, ils seraient forcément animés de mouvements très accélérés et émettraient constamment de l’énergie sous forme de rayonnement, ce qui serait contraire à l’idée même de stabilité de l’atome. (…) L’origine de la théorie des quanta est dans les recherches faites vers 1900 par M. Planck sur la théorie du rayonnement noir. (…) Si l’on considère une enceinte maintenue à température uniforme, les corps maintenus dans cette enceinte émettent et absorbent du rayonnement et il finit par s’établir un état d’équilibre (…) Kirchoff a montré que cet état d’équilibre est unique et correspond à une composition spectrale parfaitement déterminée du rayonnement enfermé dans l’enceinte. De plus, la composition de ce rayonnement dépend uniquement de la température de l’enceinte. (…) Il est souvent appelé du nom assez incorrect de « rayonnement noir » correspondant à cette température. (…) M. Planck avait commencé par reprendre l’étude de la question en imaginant que la matière est formée d’oscillateurs électroniques, c’est-à-dire d’électrons susceptibles d’osciller autour d’une position d’équilibre sous l’action d’une force proportionnelle à l’élongation. (…) M. Planck put apercevoir que l’inexactitude de la loi de Rayleigh provient du rôle trop grand que jouent, dans l’image classique des échanges d’énergie entre oscillateurs et rayonnement, les oscillateurs de haute fréquence. (…) M. Planck a eu alors l’idée géniale qu’il fallait introduire dans la théorie un élément nouveau, entièrement étranger aux conceptions classiques, qui viendrait restreindre le rôle des oscillateurs de haute fréquence, et il a posé le fameux postulat suivant : « La matière ne peut émettre l’énergie radiante que par quantités finies proportionnelles à la fréquence. » Le facteur de proportionnalité est une constante universelle, ayant les dimensions d’une action mécanique. C’est la célèbre constante h de Planck. Mettant en jeu cette hypothèse d’aspect paradoxal, Planck a repris la théorie de l’équilibre thermique et trouvé une nouvelle loi de répartition spectrale du rayonnement noir à laquelle son nom est resté attaché. (…)

Peu à peu, l’importance fondamentale de l’idée de Planck apparut. Les théoriciens s’aperçurent que la discontinuité traduite par l’hypothèse des quanta est incompatible avec les idées générales qui servaient jusqu’alors de bases à la physique et exigeait une révision complète de ces idées. (…) Pour trouver une forme générale de sa théorie, Planck a dû renoncer à l’hypothèse primitive des quanta d’énergie et lui substituer l’hypothèse des quanta d’action (produit d’une énergie par un temps ou d’une quantité de mouvement par une longueur) »

Quelques remarques préliminaires

Nous vivons dans un univers, plus exactement nous percevons une échelle de la réalité, dans lequel les forces électromagnétiques sont beaucoup moins visibles que les forces mécaniques liées par exemple à la gravitation. Mais, aux échelles inférieures, au niveau moléculaire et en dessous, les forces électromagnétiques ont une importance et une grandeur bien plus élevée...

C’est le vide (et non des particules de matière) qui est le porteur du champ électromagnétique et qui se charge de transmettre les interactions entre charges électriques. Les champs électrique et magnétique ne sont deux qu’en apparence. Plus exactement, ils sont une réalité duale et dialectique, au sens où ils s’opposent, interagissent en permanence, mais sont en fait interpénétrés.

Voyons comment un physicien rapporte ce caractère dialectique :

« Les particules n’accèdent à l’existence dans le monde ordinaire que grâce à un processus de création-annihilation dans ce plein qu’est le vide. (...) En 1927, Dirac, en cherchant l’équation qui serait capable de rendre compte du comportement de l’électron et satisferait tout à la fois à la théorie quantique et à la théorie de la relativité einsteinienne, (…) s’aperçut qu’il y avait une autre solution (que l’électron) de charge positive. (…) Chaque fois qu’on construit une théorie quantique relativiste pour décrire une particule, la théorie fait apparaître la nécessité de postuler une « antiparticule » symétrique, de charge opposée. Ces antiparticules forment ce qu’on appelle l’antimatière, dénuée de tout le mystère dont on entoure parfois son nom : ce n’est en fait rien qu’une autre forme de la matière, composée d’antiparticules ayant des charges opposées à celles des particules ordinaires. (…) Dirac, tirant les conclusions de la découverte du positron (antiparticule de l’électron), put proposer une description toute nouvelle du vide. Jusqu’alors, on s’était représenté le vide comme réellement vide, on aurait extrait toute forme de matière et de rayonnement, ne contenait strictement rien, et, en particulier, aucune énergie. C’est à Dirac que l’on doit d’avoir, en deux étapes, repeuplé le vide et fait en sorte que le vide ne soit plus vide. (...) Nous avons fait ressortir (..) ce caractère du vide en tant que conjonction des opposés. (..) Conjonction des opposés qui ne trouve son vrai sens que dans la mesure, néanmoins, où elle correspond au plus près à une dialectique des modes d’être. (..). C’est la négation du principe d’identité. (..) Proclus : ’’Je définis au sujet du mode des négations qu’elles ne sont pas privatives de ce sur quoi elles portent, mais productives de ce qui est’’(..) et tout au terme de la course , c’est la négation de la négation elle-même. (..) Si l’on accepte de suivre cette pensée dialectique dans sa rigueur tout interne, on s’aperçoit en même temps comment tombent les objections qu’on oppose à ce modèle. (..) Ce que nous voulions montrer, c’est qu’il existe une logique de la pensée du vide »

Victor Weisskopf dans « La révolution des quanta »

Il est aussi à remarquer que les "deux" champ, électrique et magnétique changent de forme si on les observe depuis un repère différent. Par contre, leur somme ne change pas. Et, dans cette déformation liée à un changement de repère, il se peut que le champ magnétique et électrique se remplacent l’un l’autre (exemple du champ créé par un fil parcouru par un courant suivant qu’il s’agit d’un repère lié au fil ou au courant...).

Il convient d’en conclure qu’il y a bel et bien un champ électromagnétique et non un champ électrique additionné à un champ magnétique.

Un rappel sur l’électromagnétisme de Maxwell

Lire ici ce rappel

Pour en savoir plus sur les équations de Maxwell

La réalité des champs électrique et magnétique, c’est les particules et antiparticules virtuelles du vide quantique

Depuis la physique quantique, nous savons que les phénomènes électromagnétiques ont un caractère dual : ondulatoire et corpusculaire à la fois. Le caractère corpusculaire est celui des photons et aussi celui des particules virtuelles. Celles-ci ont une durée de vie très courte.

Basarab Nicolescu dans “Nous, la particule et le Monde”, Editions Le Mail, 1985 :

“Le Vide quantique - un vide “plein” : (...) Quand nous pénétrons dans une région de plus en plus petite de l’espace nous découvrons une activité de plus en plus grande, signe d’un perpétuel mouvement. La clef de la compréhension de cette situation paradoxale est fournie à nouveau par le principe d’incertitude de Heisenberg. Une toute petite région de l’espace correspond, par définition, à un temps très court et donc, conformément au principe de Heisenberg, à un spectre très large d’énergies. Par conséquent, pour des intervalles de temps très courts, la loi de conservation d’énergie peut être violée : tout se passe comme si les quantas de matière sont créées à partir de rien. Plus précisément, les “fluctuations quantiques” du vide déterminent l’apparition soudaine de paires particules-antiparticules “virtuelles” qui s’annihilent ensuite réciproquement, ce processus ayant lieu dans des intervalles de temps très courts.”

Nous atteignons la question de la différence entre particule dite réelle et particule dite virtuelle. Rappelons qu’elles sont tout aussi réelles les unes que les autres, mais qu’il ne s’agit pas du même niveau de réalité. Sans les particules virtuelles, le niveau du réel ne pourrait pas émerger. Ni les unes ni les autres ne sont des objets au sens habituel du terme, mais des structures, des phénomènes ou des propriétés qui se maintiennent plus ou moins durablement. La propriété « matière » se conserve dans un temps beaucoup plus long que la propriété de la particule virtuelle, qui disparaît extrêmement rapidement. Comme on l’a déjà dit, la particule dite réelle n’est rien d’autre que l’une des particules virtuelles qui a reçu un boson bien particulier, le boson de Higgs porteur de cette propriété de masse. Cela ne veut pas dire que ce soit sans cesse la même particule qui possède cette propriété dite « matière », ni que cette propriété reste généralement attachée à une certaine particule virtuelle. Au contraire, la condition de la conservation de la matière est que cette propriété passe, très rapidement, d’une particule virtuelle à une autre. Cela signifie qu’elle passe d’une particule dite de matière à une particule virtuelle située dans son environnement immédiat (autrement appelé nuage de polarisation).

Le milieu des particules virtuelles est appelé le vide, mais ce terme ne doit pas nous illusionner : il n’est vide que de particules mesurables par des phénomènes matériels. Nos instruments ne décèlent pas les particules virtuelles mais les phénomènes matériels nous apprennent leur existence et leurs propriétés.

Le vide est un véritable milieu dynamique. Le vide a, implicitement, toutes les propriétés qu’une particule peut avoir : spin, polarisation dans le cas de la lumière, énergie, etc. Il a lui-même différents niveaux de structure.

ce qui empêche les particules de tomber les unes sur les autres malgré des « forces » qui les attirent (par exemple, l’électromagnétisme qui attire les particules d’électricités opposées plus et moins), c’est qu’autour de chaque particule réelle existe un nuage de particules virtuelles et que celles-ci, du fait des attractions (deux signes opposés s’attirent) et des répulsions (deux signes identiques se repoussent), ont tendance à constituer des couches autour de la particule de masse, couches successivement positives et négatives (on dit qu’elles « écrantent » la charge électrique). Cela signifie que la charge électrique est partiellement masquée à proximité. Si ce n’était pas le cas, elle aurait une énergie d’interaction infinie avec son environnement. Et, si elle s’approche trop, une particule porteuse d’une charge finit par être repoussée. Du coup, une particule de masse qui s’approche ne peut pas tomber sur une autre particule. Il y a d’autres aspects de cette stabilité. Notamment le fait que la matière ne se touche pas. Deux particules ne peuvent être dans une même position et dans un même état. Elles ne pourraient pas disposer au tour d’elles chacune de son nuage de polarisation, les deux nuages empêchent les deux particules de se trouver dans un même état. Les particules ne vont jamais se toucher ou rebondir les une sur les autres comme des balles de ping-pong, comme on l’imaginait. Pour se déplacer la propriété « matière » va sauter d’une particule virtuelle à une autre. Pour interagir deux matières vont échanger des photons (c’est-à-dire de la lumière ou, plus généralement, on dira que des fermions échangent des bosons). Mais ce n’est pas une transmission au sens classique puisque le photon se décompose et se recompose avec la particule en donnant une nouvelle particule et un nouveau photon. En effet, un photon n’est rien d’autre qu’un dipôle de deux particules virtuelles (une particule et son antiparticule) qui sont si rapprochées que l’on ne les distingue que lors de l’absorption. A proximité de la particule, le photon se polarise en grains positifs et négatifs et l’un d’entre eux s’attache à la particule pour donner un nouveau photon. Dans le vide les pôles opposés du photon, rencontrent rapidement les pôles virtuels du vide, s’éloignent qui se recomposent et ainsi de suite, de façon périodique et définit ainsi un battement. Le photon électromagnétique n’est donc pas un objet mais un processus dynamique fondé sur des contradictions dépassées puis recomposées. Et ce n’est qu’un exemple. Il en va de même des autres « particules d’interaction » comme le gluon. Le photon régit l’interaction des particules comme l’électron, le proton ou l’atome. Le gluon commande les interactions des quarks (chromodynamique quantique).

Une matière qui absorbe un photon se couple avec le pôle d’électricité opposée, pour former un nouveau photon) et relâche l’autre pôle qui devient une particule. Tel est la procédure des émissions/absorptions de photons par la matière. Là encore, le virtuel est le niveau de la dynamique.

Il en résulte que le monde dit « réel » a besoin pour exister réellement du monde dit « virtuel », qu’il est une simple déformation locale du monde virtuel, déformation qui n’est d’ailleurs sensible qu’à une certaine échelle. Dans le monde virtuel, des quanta apparaissent et disparaissent dans un temps donné, parce que le temps lui-même est agité en tous sens. Là encore, on est loin de nos conceptions usuelles. Notre monde, à l’échelle macroscopique, semble se modifier au sein d’un espace-temps qui sert de toile de fond, mais, au niveau quantique – tout particulièrement pour le vide quantique -, on s’aperçoit qu’il n’en est rien. Le virtuel n’a pas d’écoulement régulier du temps et ne connaît pas la flèche du temps (vers l’augmentation de l’entropie).

Le champ, c’est la déformation géométrique des positions des particules et antiparticules virtuelles du vide quantique.

Le quantum d’action est le médiateur de la force électromagnétique dans l’atome.

Dans la terminologie de Feynman, le quantum d’action est un « photon virtuel ». Richard Feynman a décomposé tout ce qui peut arriver à un électron dans l’atome et qui détermine son mouvement ou sa transformation. Ce sont des processus discontinus :

a) Un électron absorbe un quantum provenant d’une source extérieure et change de direction dans l’espace

b) Un électron émet un quantum qu’il réabsorbe aussitôt

c) Un électron émet un quantum qu’il réabsorbe après avoir fait un demi-tour dans le temps

d) Un électron apparaît subitement dans le vide, fait marche arrière dans le temps et disparaît, laissant le vide dans l’état premier. Entre temps, cependant, en « polarisant » le vide, cet électron a influencé son entourage.

« Il y a de nombreux états du vide qui seraient difficilement interprétables en concevant l’espace comme « vide ». Un champ quantique a toujours une énergie de base résiduelle non nulle (…) activité résiduelle qui se maintient en l’absence d’excitations du vide sous formes de quanta, activité qui se manifeste dans les expériences. Si nous considérons le champ électromagnétique, par exemple, alors les fluctuations de celui-ci peuvent être interprétées comme des créations et annihilations spontanées de photons virtuels, ou de couples virtuels de particule/antiparticule (polarisation du vide). Quand le champ électromagnétique est en interaction, disons avec un électron (ou avec toute particule ou champ), la polarisation du vide peut produire des changements observables, comme ceux de la structure hyperfine de l’hydrogène (dédoublement des raies appelé effet Lamb shift). Dans la physique des particules, la notion d’état du vide joue un rôle croissant. Il y a plusieurs états du vide, avec notamment les notions de « faux vide », d’effet tunnel d’un état du vide à un autre (Coleman, 1977), d’états particuliers du vide (Emch, 1972), etc. (…) Mon opinion est que ces états du vide qui sont des niveaux de base se fondent sur une sorte de structure de niveau inférieur qui joue un rôle dans la structure inertielle de l’espace-temps (…) Ce qui apparaît du vide pour un observateur peut apparaître comme de la matière pour un observateur accéléré. »

B. J. Hiley dans « La philosophie du vide » (ouvrage collectif dirigé par Saunders et Brown)

« Aujourd’hui, le vide est reconnu comme un milieu physique riche, sujet de transitions de phase, et dont la symétrie brisée par les fluctuations du vide qui ne s’éteignent pas sont à la base des propriétés de magnétisme qui sous-tendent l’émission, la propagation et l’absorption des particules. »

David Finkelstein dans « La philosophie du vide » (ouvrage collectif dirigé par Saunders et Brown)

« L’espace vide, quel qu’il soit, contrôle la dynamique des corps matériels, car, quand on considère l’électromagnétisme, il semble que la matière, et les relations fonctionnelles entre particules de matière, ne sont pas capables d’accomplir seuls le travail. Bien sûr, l’espace lui-même pourrait être conçu comme un principe d’organisation appliqué à la matière. (...) Le vide, tel qu’il apparaît ainsi, est riche : suivant les cas, un bipole ferromagnétique, un milieu diélectrique, un supraconducteur, et une phase thermodynamique. »

S. Saunders dans « The philosophy of vacuum »

« L’électron interagit avec les « paires virtuelles » de son propre champ électromagnétique. (…) Le vide quantique contient de telles paires virtuelles et cet effet a été observé sous le nom de « polarisation du vide ». L’électron se trouve interagir avec la charge d’un des éléments de la paire virtuelle, en sorte qu’un électron quantique n’est jamais « nu » mais « habillé » d’un essaim ou nuage de paires virtuelles qui polarisent son environnement immédiat et modifient, par voie de conséquence, ses niveaux d’énergie. (…) La procédure dite de renormalisation considère que la masse et la charge physique de l’électron sont celles de l’électron « habillé » et non celles de l’électron « nu ». ce dernier n’existe pas réellement, puisqu’il est toujours impensable sans son champ. »

Michel Paty dans « Nouveaux voyages au pays des quanta »

En présence de charges matérielles, ces quantons virtuels ont des positions qui sont en effet modifiées.

Les charges matérielles sont entourées par des couches en oignon, tantôt positives, tantôt négatives.

"Le niveau de description ultime susceptible de fonder la singularité du vide est la théorie quantique des champs, qui combine les concepts de la relativité restreinte et ceux de la physique quantique. (…) le vide y est le ciment permanent de l’univers, les particules en jaillissent et y replongent comme des poissons volants, non sans servir de monnaie d’échange entre les particules stables et durables qui donnent sa chair au monde, et qui proviennent d’ailleurs elles-mêmes de la pulvérisation du vide primordial. (…) Les particules virtuelles (du vide quantique) sont si fugitives qu’elles sont comme si elles n’étaient pas. Les particules « réelles » et « virtuelles » sont tout aussi existantes les unes que les autres, mais les dernières disparaissent avant même qu’on puisse les observer. (…) Les termes de « fluctuation du vide » et « particules virtuelles » sont équivalents dans la description, le premier appartenant au langage des champs, le second à celui des particules. (…) Les fluctuations électromagnétiques, et donc les photons virtuels qui en sont la contrepartie dans le langage des particules, furent mises en évidence dès 1940, par la mesure du décalage des raies spectrales de l’hydrogène (Lamb shift) dû à un très léger changement des niveaux d’énergie de l’atome correspondant, et par la découverte d’une minuscule attraction entre deux plaques conductrices (effet Casimir). (…) Le vide se peuple d’une invisible engeance. L’inventaire du moindre centimètre cube d’espace frappe de stupeur : les paires électron-positon (+ et -) côtoient toute une faune de quanta. Les paires électron-positon virtuelles, en dépit de leur faible durée de vie, s’orientent dans le champ électrique des charges électriques présentes et modifient leurs effets. Océan de particules virtuelles, on peut s’étonner de voir encore à travers le vide, tant il est poissonneux En lui s’ébattent tous les photons, bosons intermédiaires et gluons nécessaires à la transmission des forces qui charpentent, coordonnent et organisent le monde. Les particules furtives qui émergent du vide et s’y précipitent aussitôt relient entre elles les particules stables et durables de la matière, dites particules réelles (quarks et leptons). (…) Le vide, à la différence de la matière et du rayonnement, est insensible à la dilatation car sa pression est négative. Ceci provient de la relation : pression = opposé de la densité d’énergie qui lui confère son invariance relativiste. La pression négative engendre une répulsion gravitationnelle. De fait, si la gravitation freine l’expansion de l’univers, l’antigravitation ne peut que l’accélérer.

Le vide est écarteur d’espace et créateur de matière

(…) La création de matière (via la lumière) est le fruit de la transmutation du vide indifférencié en entités physiques distinctes. Il y a là une chaîne physique de la genèse : Vide -> Lumière -> Matière et Antimatière. Le vide est une composante de l’univers, distincte de la matière ordinaire et du rayonnement. Vide, rayonnement et matière diffèrent par leur équation d’état (relation entre densité et pression pour le fluide considéré), laquelle influe sur l’expansion de l’univers et est influencée par elle, par le biais des transitions de phase. (…) Sa rage savonneuse à s’étendre indéfiniment, l’univers la tiendrait du vide. Le vide a enflé sa bulle. (…) Il y a autant de vides que de champs. (…) Chaque restructuration profonde, ou brisure de symétrie, modifie l’état du vide. Inversement, chaque modification de l’état du vide induit une brisure de symétrie. L’évolution de l’univers procède ainsi par brisures de symétrie successives qui se soldent par des transitions de phase, lesquelles bouleversent l’apparence globale du cosmos. »

Michel Cassé dans « Dictionnaire de l’ignorance »

« Le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron. Ce sont des paires virtuelles mais cela va compliquer notre processus d’absorption qui ne demande qu’un temps très bref durant lequel ces paires virtuelles ont bien le temps de se manifester. L’électron, de charge négative, va ainsi attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. « Approchant » de l’électron, le photon va ainsi le « voir » entouré d’un « nuage » de charge positive dû aux positrons virtuels attirés. Il aura l’impression que la charge de l’électron est plus faible que celle annoncée. C’est une version quantique de l’effet d’écran. (…) Revenons à notre électron absorbant un photon tout en s’entourant d’un nuage virtuel contenant plus de positrons que d’électrons. Si le transfert augmente, le photon peut « voir » avec plus détail. Il « attrapera » l’électron avec une partie plus faible de ce nuage positif qui l’entoure. Le photon aura l’impression que la charge de l’électron augmente avec le transfert qu’il apporte. (…) L’effet principal peut être conçu comme la transformation de photon en une paire électron-positron, qu’il réabsorbe avant l’interaction. (…) La diversité sort de la structure du vide. (…) Le vide du modèle standard a une structure. Il se comporte d’une façon analogue à un corps supraconducteur. (…) Si le temps d’observation est de dix puissance moins 21 secondes (…) des paires électron-positron peuvent spontanément apparaître. Si le temps d’observation tombe à dix puissance moins 24 secondes, (…) le vide peut bouillonner de pions. Sur un temps de dix puissance moins 26 secondes, une particule Z peut se manifester. (…) Quand on atteint un temps de dix puissance moins 44 secondes, la gravitation devient quantique. »

Maurice Jacob dans « Au cœur de la matière »

Paul Davies écrit dans "Les forces de la nature" :

"Le lecteur ne doit pas s’imaginer que ce nuage de photons virtuels autour d’un électron n’est qu’un gadget heuristique. Ces photons ont des effets réels, mesurables, bien que faibles en raison de la petitesse du couplage. (...) Toutes les particules quantiques existent sous forme virtuelle, pas seulement les photons. Par exemple, une paire virtuelle électron-positron peut apparaître brièvement, avant de s’annihiler dans les limites permises par les relations d’incertitude. Un photon peut ainsi se convertir soudain en une telle paire au cours de son voyage. Cela implique que deux photons peuvent se diffuser mutuellement via l’interaction de telles paires virtuelles électron-positron, processus impossible en physique classique où les faisceaux lumineux se pénètrent sans se perturber. Le fait que tous les photons, réels aussi bien que virtuels, passent une partie de leur vie sous forme d’une paire électron-positron conduit à un effet intéressant appelé polarisation du vide. Les photons virtuels qui entourent toute particule chargée contiennent des paires virtuelles électron-positron. Si la particule centrale est un électron, par exemple, sa charge électrique aura tendance à attirer les positrons virtuels et à repousser les électrons virtuels. Cette polarisation a un effet d’écran sur la charge centrale, et la charge effectivement perçue au loin est plus faible que la charge réelle de l’électron. (...) Le champ magnétique de l’électron est une autre confirmation importante de l’existence de photons virtuels. Le nuage virtuel modifie légèrement le moment magnétique."

La suite...

2 Messages de forum

  • Comment voyez-vous un lien entre la dialectique de Hegel et le magnétisme ?

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  • Eh bien, il suffit d’un aimant pour constater ce lien !

    L’aimant est la manifestation claire de deux pôles opposés. La contradiction provient du fait que deux pôles de même type se repoussent et deux pôles de type contraire s’attirent ! Et le caractère complètement imbriqué de la contradiction entre pôles provient du fait que l’on ne peut absolument pas séparer pôle nord et pôle sud, même en cassant l’aimant ! On ne ferait que reconstituer deux aimants ayant les mêmes propriétés : deux pôles opposés inséparables.

    Comme le disait Hegel dans « Philosophie de la nature » (Encyclopédie des sciences philosophiques) :

    « L’aimant présente d’une manière naïve… la nature du concept de matière et l’idée d’une philosophie de la nature… Les pôles sont les bouts sensiblements existants d’une ligne réelle… cependant, en tant que pôles, ils ne possèdent pas la réalité sensible, mécanique… ils sont tout bonnement inséparables… Leur substance est l’unité dans laquelle ils sont… Ils n’ont de sens et d’existence que dans cette unité… La loi du magnétisme est énoncée en ces termes, à savoir que des pôles « homonymes » se repoussent et que ceux qui sont « hétéronymes » s’attirent, que les pôles homonymes sont « ennemis » et que les pôles hétéronymes sont « amis ». »

    Et Hegel remarque encore :

    « Tous les corps sont magnétiques… Antérieurement, magnétisme, électricité et chimisme ont été considérés totalement à part les uns des autres, sans connexion les uns avec les autres, chacun comme une force subsistant par elle-même… La philosophie a saisi l’idée de leur « identité » mais en réservant expressément leur « différence »… Il faut considérer comme un progrès essentiel de la science empirique d’avoir reconnu l’identité… entre magnétisme, électricité et chimisme… mais il importe aussi de se die qu’ils sont et comment ils sont en même temps à distinguer… La difficulté réside dans le besoin de réunir les deux démarches ; elle n’a sa solution que dans la nature du concept, mais non dans l’identité qui confond les dénominations dans un magnéto-électro-chimisme. »

    On remarquera que la science a constaté l’unité de l’électricité et du magnétisme mais que leur symétrie n’est pas complète : il s’agit d’opposés dialectiques qui s’opposent, se composent et ne s’annihilent pas…

    Les opposés ne s’opposent pas seulement mais se composent, les unitaires sont différents mais se manifestent comme un ensemble, tout cela ce sont des contradictions dialectiques et non diamétrales !

    Comme le dit Hegel, l’aimant est l’illustration naïve de sa conception dialectique !

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