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Les contradictions des quanta

mercredi 7 mai 2014, par Robert Paris

Tests et effets de la physique quantique, le film

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

« Sans quanta, il n’y aurait ni lumière ni matière et, s’il est permis de paraphraser un texte évangélique, on peut dire que rien de ce qui a été fait n’a été fait dans eux. »

Niels Bohr dans « Physique atomique et connaissance humaine » :

« Le point de départ fut ici ce qu’on appelle le postulat quantique, selon lequel tout changement dans l’énergie d’un atome est le résultat d’une transition complète entre deux états stationnaires. En admettant en outre que toute réaction radiative atomique fait intervenir l’émission ou l’absorption d’un seul quantum de lumière, les valeurs de l’énergie des états stationnaires purent être déterminés à partir du spectre. »

Etienne Klein dans « Dictionnaire de l’ignorance » :

« Cette description des particules, entremêlant les propriétés des ondes et celles des corpuscules, est révolutionnaire. Elle met en relation des images que notre esprit isole dans des catégories distinctes, voire opposées. L’étrangeté de la chose vient de ce que toutes les particules, qu’elles soient de lumière ou de matière, nous appariassent soit comme des ondes (elles peuvent interférer – l’interférence est une addition qui est inhibitrice) soit comme des corpuscules (elles semblent ponctuelles quand on détecte leur position), mais elles ne sont ni des ondes ni des corpuscules. (…) Puisque les concepts d’onde et de corpuscule apparaissent mutuellement exclusifs en même temps qu’indissociables, il n’existe aucune possibilité de définir leur sens au moye, d’une seule expérience. On ne peut pas les combiner en une seule image. Néanmoins, ils sont nécessaires l’un à l’autre pour épuiser tous les types d’information que nous pouvons obtenir sur un objet quantique à l’aide des divers appareils de mesure. (…) Dans la bouche de Niels Bohr, le mot complémentarité n’est pas à prendre dans son sens usuel. La complémentarité ne signifie nullement pour lui quelque chose comme « collaboration » ou « association ». La dualité n’est pas un duo, l’association de l’onde et du corpuscule n’est pas une synthèse. Elle incluse toujours au contraire l’exclusion mutuelle et la disjonction des éléments qu’elle met en vis-à-vis. Il faut la voir comme une sorte de paradoxe irréductible qui lie un concept à sa négation. (…) Comme nous dit John Bell, dans la bouche de Niels Bohr, (…) la complémentarité est proche du concept de contradiction (…) Contradiction est le mot fétiche de Bohr, comme l’ont fait remarquer Wootters et Zurek dans un article de 1979. »


« Cette description des particules, entremêlant les propriétés des ondes et celles des corpuscules, est révolutionnaire. Elle met en relation des images que notre esprit isole dans des catégories distinctes, voire opposées. »
Le physicien Etienne Klein
dans « La complémentarité quantique », tiré de
« Dictionnaire de l’ignorance »

« En physique quantique, il faut renoncer à considérer une particule comme parfaitement localisable. Il faut accepter un certain « flou » couvrant au moins une certaine distance (...) inversement proportionnelle à la masse. (...) Ne peut-on envisager l’observation d’un électron pendant un temps très court durant lequel il ne pourrait parcourir qu’une partie de la distance associée à ce flou quantique ? C’est possible mais on ne peut plus distinguer dans ce cas l’électron des multiples autres particules (paires d’électrons et de positons) qui peuvent être librement émises et réabsorbées durant ce temps très court. »
Le physicien Maurice Jacob
dans « Au cœur de la matière »

« Le quantum d’action progresse dans le vide en franchissant des ’’pas’’. (...) Or cette règle a quelque chose de simple : seuls sont ’’permis’’ les sauts dans lesquels un électron de l’atome voit son nombre quantique changer d’une unité. (...) Lorsque l’atome émet (ou absorbe) un quantum d’action, le quantum emporte (ou apporte) avec lui, de par son spin, une unité d’action de rotation. »
Le physicien Jean-Claude Auffray
dans « L’atome »

« Considérons par exemple la manière dont la mécanique quantique se représente un système physique élémentaire constitué par une seule particule (photon, électron, proton, etc…) (...) Intéressons-nous particulièrement à la position de la particule qui est un état parmi d’autres (comme la quantité de mouvement, le spin, …) (...) Une particule n’a donc pas de position bien précise, sauf dans des situations exceptionnelles. Ainsi, lorsqu’un photon a beaucoup d’énergie, c’est-à-dire lorsque sa fréquence est très grande, il est pratiquement ponctuel. Sa probabilité de présence est très forte sur une petite région de l’espace et pratiquement nulle ailleurs. Mais lorsque son énergie diminue et que sa fréquence devient très basse, alors il cesse d’être localisable. (...) La mécanique quantique est pleine de bizarreries de ce genre. »
Le philosophe des sciences Alain Boutot
dans « L’invention des formes »Avant les découvertes de la physique quantique, on imaginait la matière sous la forme de particules : des entités petites, individuelles, rigides, compactes, massives et solides, ressemblant à la matière connue à notre échelle, (définies par une position bien localisée, un état, une masse, une vitesse et une trajectoire continue). Et on imaginait la lumière comme des ondes (perturbations ondulatoires périodiques d’un milieu sans déplacement de particules et avec une propagation dans toutes les directions de l’espace) capables d’interférer de façon constructive ou destructive. Ces deux types de phénomènes, onde et particule, sont apparemment contradictoires comme lumière et matière : absence de masse pour l’un et masse pour l’autre, interférences ici et absence d’interférences là, vitesse maximale (de la lumière) pour l’onde et vitesse très inférieure pour la particule, phénomène localisé (et même ponctuel) dans un cas ou étendu à tout l’espace dans l’autre, chocs ou absence de chocs. Des propriétés en somme absolument incompatibles, apparemment diamétralement opposées. Nous appelons physique quantique l’étude de la matière à toute petite échelle qui a démontré qu’à ce niveau les deux images sont inséparables, interpénétrées et « complémentaires ». On ne peut pas dire que, jusqu’à aujourd’hui, cette observation soit sans poser de graves problèmes à la physique !

En effet, plusieurs expériences ont montré, au grand étonnement des physiciens eux-mêmes, que tout champ contient des particules et toute particule correspond à un champ. La lumière se manifeste comme une onde mais aussi comme des particules, des grains discrets arrivant un par un et localisés (au lieu d’être étendus à tout l’espace) et réalisant des chocs inélastiques (par exemple l’effet Compton entre une particule et un rayonnement qui, en le heurtant, le fait reculer), des sauts et des singularités. Et d’autres expériences ont montré symétriquement, produisant un étonnement encore plus grand des physiciens, que la matière manifeste un comportement de type ondulatoire (diffraction [1], interférences [2], effets de flou [3] et de bord [4], dispersion [5], apparitions et disparitions [6] dans le vide). Non seulement les particules peuvent interférer entre elles mais une seule particule peut interférer [7] avec elle-même (par exemple, les franges d’interférence de l’expérience des fentes de Young à une seule particule). La particule est donc aussi une onde. Elle est non localisée et intervient dans l’espace qui l’entoure. L’onde de matière ou onde de Broglie est caractérisée par une formule qui relie une caractéristique ondulatoire, la longueur d’onde, et une caractéristique particulaire, l’impulsion.

Finalement, onde et particules comme lumière et matière sont bien contradictoires mais doivent être conçus dans leur unité dialectique. Cela signifie que leurs propriétés manifestent du caractère fondamentalement contradictoire de l’entité unique matière/lumière. Car, entre matière et lumière, on ne trouve pas une contradiction logique (ou l’un ou l’autre) mais dialectique : ils sont opposés mais interdépendants, interactifs et interchangeables. La matière émet et absorbe sans cesse de la lumière ce qui signifie que celle-ci s’intègre à la structure. Les chocs de matière produisent de la lumière. Par exemple, la collision d’un électron et de son antiparticule, le positon, si elle se réalise avec une énergie suffisante, produit deux photons. Inversement, la lumière ayant une énergie suffisante peut produire de la matière. La matière n’entre en relation avec d’autres matières que via la lumière. Avec la matière comme avec la lumière, on ne trouve pas de simples objets mais des dynamiques sans cesse en interaction avec de multiples voies possibles utilisant les autres « objets physiques ». Un photon lumineux peut être une somme de particule et d’antiparticule ou résulter de la rencontre entre deux particules se rencontrant avec une certaine énergie. Matière plus matière donne de la lumière et lumière rencontrant la matière peut donner de la matière (particule et antiparticule). Le photon qui se « matérialise » en paire particule/antiparticule construit une nouvelle contradiction et la dématérialisation de cette paire reproduit le photon. Le photon est donc l’unité des contraires : particule/antiparticule. Ce photon, globalement stable, est pourtant fondé sur une dynamique sans cesse en mouvement. C’est parce qu’il est instable qu’il est un moyen de dialogue, par exemple entre deux électrons. Il est absorbé par l’électron en intégrant sa structure puis réémis pour ensuite être absorbé par un autre électron. Cet échange permanent est la liaison électromagnétique des deux électrons. D’une part les deux électrons semblent séparés et de l’autre ils font partie d’une même unité par l’intermédiaire de ce dialogue permanent. Tout cela ne peut être concevable que si matière et lumière sont faits d’un même matériau ou, plus exactement, participent du même phénomène qui n’est ni tout à fait ondulatoire ni tout à fait particulaire. Onde et corpuscule sont des phénomènes contradictoires mais dépendants et sans cesse reliés. Dans toute onde, il y a un corpuscule et inversement ! Ce n’est pas seulement lié à l’onde de Broglie : la relation fondamentale de la physique quantique « Energie E = constante de Planck h fois la fréquence » relie l’énergie du corpuscule avec la fréquence de l’onde liée à la matière (onde du rayonnement ou onde de Broglie de la particule). Elle rattache donc un aspect corpusculaire avec un aspect ondulatoire, le localisé avec le non-localisé, le granulaire avec le dispersé, le discret avec l’étendu...

Cette unité des contraires se manifeste également dans le fait que matière et lumière obéissent aux mêmes lois quantiques représentées par une même unité : le quanta d’action h (constante de Planck), la même fonction de Schrödinger et la même système de matrices d’états. La contradiction modifie sans cesse ses formes mais reproduit sans cesse de nouvelles contradictions. Matière/lumière n’est, nous le verrons, que l’une des formes issues d’une contradiction dialectique plus fondamentale : celle entre électricités opposées. Il ne s’agit pas d’une considération « philosophique » abstraite : nous verrons un peu plus avant dans ce chapitre que matière et lumière ont une même base physique réelle : les charges électriques positives et négatives du vide quantique qui obéissent à un baller dialectique du type unité/contradiction.

Un point commun entre matière et lumière est le mode de fonctionnement : par sauts extrêmement rapides d’un état à un autre. Les sauts nécessitant une grande énergie et respectant la loi énergie fois temps égale constante de Planck, le temps est extrêmement court, la rapidité étant plus grande que ce que peut déceler la matière elle-même qui dispose d’une énergie plus modeste. Il en découle que particules de matière comme corpuscules de lumière apparaissent non dans un état mais dans une superposition d’états. Un état de la particule ne peut pas être précisément défini à un instant donné, lui-même précisément défini. Ce n’est pas une simple difficulté de mesure mais une caractéristique fondamentale du comportement particulaire. Plus l’instant est précis moins l’état l’est (plus la palette de niveaux d’énergie possibles est large). Les remarques précédentes ont un nom en physique quantique : ce sont les inégalités d’Heisenberg improprement appelées principe d’incertitude ou, de manière encore plus confuse, principe d’indéterminisme [8]. Sur ce plan, le corpuscule matériel se comporte avec le même flou que le corpuscule de rayonnement et il a également le même caractère de grain. Tous deux répondent aux mêmes inégalités d’Heisenberg. Ainsi, au sein de l’atome, les électrons n’ont pas un niveau fixe d’énergie, n’occupent pas des positions précises, ne suivent pas des trajectoires ni permanentes ni même définies. Si un électron est détecté quelque part, cela ne signifie pas que l’on peut deviner ses positions suivantes. C’est une situation plus que perturbante par rapport à la physique que nous connaissons à notre échelle.

La transformation continue d’une position à la suivante est une image habituelle de la matière et de la lumière qu’il a fallu définitivement abandonner et remplacer par le saut d’un état à un autre, et même… d’une superposition d’états à une autre. Seule l’action de mesure supprime la superposition d’états qui caractérise le corpuscule et ramène celui-ci à la situation figée : une seule valeur de la mesure. L’action de mesure représente une rupture de la dynamique de l’interaction avec le milieu. Cette « réduction du paquet d’onde » (ou encore suppression brutale des potentialités de présence de la particule) comme tous les autres sauts de la nature n’a pas manqué d’étonner comme on l’a relevé dans l’introduction de cette étude. Comme la radioactivité, l’apparition et la disparition de particules dans le vide, les sauts d’un électron sur les couches de l’atome sont imprédictibles et inattendues comme que les émissions et absorption de photons qui les accompagnent ! Le saut nous étonne parce qu’il nous apparaît pour ce qu’il est : l’interruption d’une continuité que nous avions … en tête !

Les transformations très rapides des particules sont le fondement des « mystères » de la physique quantique tels que son caractère probabiliste, la superposition d’états [9], les états corrélés [10], la « réduction du paquet d’ondes » et la « dualité onde-particule ». Et en effet, quel n’a pas été l’étonnement des scientifiques étudiant l’univers de l’extrêmement petit : des rotations affectant des « objets ponctuels », des apparences d’un même phénomène aussi contradictoires que l’onde et la particule, des masses de matière qui apparaissent et disparaissent, des « objets » qui n’ont pas de trajectoire, (pas à la fois une trajectoire et une vitesse), des interactions ultra-rapides à distance, etc… La physique quantique a été contrainte d’admettre que la loi d’interaction de la matière/lumière était fondée sur des actions en temps très court, appelées « virtuelles », et durant lesquelles la conservation de l’énergie ne s’appliquait plus. La microphysique dite quantique peut être interprétée par de tels sauts extrêmement rapides appelés particules fugitives ou virtuelles, d’une grande énergie et dont la durée de vie est très courte, qui apparaissent et disparaissent en permanence dans le vide. A condition de les réémettre ensuite rapidement, la matière pouvait absorber des quantités phénoménales d’énergie du vide. Ces particules à très courte durée de vie sont les chocs fondamentaux du fonctionnement de la matière, l’agitation brutale qui est à la base de la nature. La physique de « la conservation » doit céder la place à la dialectique de la transformation/conservation. La structure est modifiée [11] dès que sa variation est suffisamment radicale, brutale et rapide, révolutionnaire en somme.

« L’hypothèse des quanta conduit à admettre qu’il y a dans la nature des phénomènes n’ayant pas lieu d’une manière continue mais brusquement et, pour ainsi dire, explosivement. »
Le physicien Max Planck
dans « Initiation à la physique »

La physique quantique, tout en parlant de fonction d’onde (de probabilité) tranche en faveur de la discontinuité, de la granularité et des sauts. Les photodétecteurs, fondés sur l’effet Compton (un photon choque un atome et détache un électron), détectent toujours des corpuscules. Les expériences les plus « ondulatoires » comme les franges d’interférences de l’expérience des fentes de Young présentent des arrivées de particules une par une sur les écrans. Toute la physique quantique fonctionne par sauts et non par évolution continue.

« Le quantum d’action progresse dans le vide en franchissant des ’’pas’’ » expose ainsi Jean-Claude Auffray dans « L’atome ».
Saut du photon entre ses deux états (neutre et dipolaire)
Saut du proton entre ses divers états qui diffèrent par le nombre de gluons (dipôles)
Saut de la particule qui émet (ou absorbe) brusquement un boson
Saut de la particule d’une position à une autre et d’un état à un autre
Saut de l’électron entre couches au sein de l’atome
Saut entre neutron et proton au sein du noyau de l’atome
Saut du neutrino entre ses états électronique, muonique et tauonique
Saut du couple particule/antiparticule au boson (par exemple électron/positon donne un photon lumineux)
Saut du quark (ou de l’antiquark) entre des états caractérisés par une charge dite de couleur (bleu ou antibleu, vert ou antivert, rouge ou antirouge).

Certains changements sont extrêmement brutaux comme ceux que contiennent les bosons, produits de la rétroaction ultra-rapide de la particule et de l’antiparticule. Sous le titre « La danse de l’antimatière », la revue « Sciences et Avenir » de juin 2006 écrivait : « Des particules sont capables de s’échanger trois milliards de fois par seconde ! C’est ce qu’une collaboration internationale a observé dans le détecteur de l’expérience CDF installée sur l’accélérateur de particules Teratron du Fermilab à Chicago. En fracassant l’un contre l’autre des protons et des antiprotons, ils ont créé une particule très fugace, un méson qui vit moins de 2 picosecondes (une picoseconde vaut 10-12 secondes). Mais dans ce laps de temps, les physiciens ont surtout vu cette particule se transformer en son antiparticule et vice-versa, à un rythme effréné. » On assiste sans cesse à des sauts à grande vitesse entre particules et antiparticules très fugitifs.

Le saut est également quantitatif. Dans les transformations matière/lumière, tout se produit par nombre entier de quanta de Planck h et dans le vide par nombre demi-entier de h. Tout déplacement, tout choc, toute décomposition, toute interaction de matière/lumière se produit par quantité entière de quanta d’action h, par un saut d’un ou d’un nombre entier de quanta. C’est donc toujours un saut. Toute transformation du vide se produit par un nombre demi-entier de quanta h. Le lien entre matière, lumière et vide est évident et il est lié à cette question des sauts quantiques.

« La physique quantique traite de choses (...) qui subissent des transitions de phase. »
David Ritz Finkelstein
dans « Le vide » ouvrage collectif dirigé par Edgar Gunzig et Simon Diner

La nouvelle image de l’unité matière/lumière associe les deux entités même si la contradiction se maintient entre la logique des fermions (corpuscules obéissant à la loi de Fermi) qui ne tendent pas à se déplacer en groupe et la logique des bosons (corpuscules obéissant à la loi Bose-Einstein) qui ont tendance à se grouper. Les fermions sont des grains du type matière et les bosons des grains du type lumière (en entendant pas lumière –comme on le fait tout au long de ce texte - l’ensemble des rayonnements électromagnétiques se déplaçant à la vitesse de la lumière). La nouvelle unité contient donc de nouvelles contradictions. Encore une fois, il n’y a pas opposition diamétrale entre bosons et fermions mais opposition dialectique. Ils obéissent à des lois diamétralement opposées : les uns sont « grégaires » (les bosons) et les autres sont « individualistes » (les fermions). Cela signifie que des fermions en nombre inconnu peuvent se trouver dans un même état dans une même position et qu’au contraire deux fermions ne peuvent pas se trouver dans une même position (principe d’exclusion). L’unité est cependant indispensable car la matière émet de la lumière mais la lumière permet aussi de faire apparaître de la matière dans le vide (couplée avec de l’anti-matière). Ce processus a lieu en permanence et n’est pas un phénomène secondaire mais le processus fondamental du cycle de la matière/lumière et de ses échanges avec le vide. Les photons très énergétiques se décomposent en particule et antiparticule durables et observables (c’est-à-dire par un dispositif matériel expérimental). Par contre, les photons moins « chauds » se décomposent en particule et antiparticule éphémères (ou virtuels selon l’expression courante).

« Un photon de lumière aiguë vient frôler un atome de matière. Fugace télescopage au fin fond du réel. En surgissent deux électrons, un de chaque signe, vifs et rapides comme l’éclair, enfin presque ; ils ralentissent, courbent leur trajectoire, lancent des photons ; s’ils se rencontrent à nouveau, ils fusionnent l’un dans l’autre puis disparaissent en remettant, comme leur dernier soupir, deux furtifs grains de lumière. »
Le physicien Etienne Klein
dans « Sous l’atome, les particules »

Le rayonnement peut, s’il est suffisamment concentré en énergie, produire des particules de matière. Du coup, la séparation entre matière, lumière et énergie, mais aussi entre matière et vide, est tombée. On divisait les phénomènes en matière (ayant une masse et se déplaçant à une vitesse très inférieure à la vitesse de la lumière) et en rayonnement ou particules d’interaction comme le photon lumineux. On a découvert ensuite une autre sorte de matière, partiellement opposée à la matière ordinaire (les charges sont opposées mais la masse est la mêmes) : l’anti-matière. Mais ce qui change c’est qu’ensemble les deux sortes de matière (toutes deux massives et à vitesse lente) produisent du rayonnement. Electron et positon donnent le photon. Quark et anti-quark donnent le méson Pi ou Pion. Et le photon de lumière se décompose inversement en matière et anti-matière. La matière est donc partout, y compris dans la lumière. C’est ce qui explique que la matière absorbe la lumière. L’explosion thermonucléaire des étoiles montre comment la matière peut se transformer en lumière.

Non seulement on observe la matérialisation de l’énergie de la lumière dans le vide mais on commence à la réaliser expérimentalement comme le montre le physicien Gérard Mourou du CNRS de Palaiseau. Il a conçu tout récemment un faisceau laser (lumière cohérente) à haute énergie car se fondant sur une impulsion de très courte durée (de l’ordre de la picoseconde ou millième de milliardième de seconde). On entre alors dans le domaine appelé l’optique quantique relativiste et non-linéaire. L’expérience de Gérard Mourou, montre que la lumière se transforme en matière. Il n’y a donc pas là deux natures différentes ni opposées diamétralement. Quant à la matière non baryonique, dite noire parce qu’elle n’est pas observable, elle pourrait bien être la matière éphémère du vide…Comme l’expose Gérard Mourou, à cette échelle, le vide est très plein de particules et d’anti-particules (identiques aux particules mais avec des quantités caractéristiques opposées) et toute la matière vient du vide : « le vide est mère de toute matière. (...) Il contient une quantité gigantesque de particules par centimètres-cubes … et tout autant d’anti-particules. ». En effet, cette somme de matière et d’anti-matière qui existe de façon fugitive dans le vide se combine sans cesse pour donner l’énergie du vide, d’où cette impression globale que le vide est une absence de matière. En augmentant l’intensité du rayon laser, Mourou est en train de réaliser en laboratoire ce que fait spontanément le vide : la matérialisation de l’énergie, une avancée relevée dans la presse notamment le journal Le Monde du 19 octobre 2005. La composante magnétique du rayonnement laser devient importante alors qu’elle est négligeable pour la lumière. Elle exerce alors une énorme pression dépassant 1018 ou un milliard de milliard de Watt par centimètre-carrés et rend visible (en rendant durable) la matière fugitive contenue dans le vide. Le champ électromagnétique alternatif de l’onde lumineuse produit ainsi un champ électrique continu : des paires électrons/positons sont produites. Matière et vide sont faits du même matériau et que la matière est le produit d’une structuration du vide. Elle n’est donc pas faite d’objets fixes ni compacts comme on l’a longtemps cru.

D’où vient l’opposition fermions/bosons ? De l’interaction avec le vide. En effet, Richard Feynman remarque dans « Lumière et matière » que les principes grégaire et antigrégaire sont tous deux du type d’une interférence [12] avec le milieu (vide) : interférence positive pour les photons et négative pour les fermions. L’équilibre d’un photon avec le vide est favorisé par l’agrégation alors qu’il est défavorisé pour la particule de masse. Et même en ce qui concerne la particule, la possibilité de proximité des particules dépend de facteurs liés non au corpuscule lui-même mais à son environnement : des facteurs qui dépendent d’une rotation comme la charge ou le spin. Ainsi, des particules de charges ou de spins opposées peuvent s’approcher et celles de rotation de même sens se repoussent. Nous allons montrer que c’est la transformation du milieu (vide) qui entoure la particule qui en est cause. Par exemple, on remarque qu’un électron ne retrouve son état de départ que par un double tour : c’est ce que l’on appelle une particule de spin 1/2. On aurait pensé en raisonnant classiquement sur une particule isolée qu’un tour ramène la particule dans le même état. Ce n’est explicable qu’en associant la particule et le milieu excité autour. Avec un seul tour le corpuscule est revenu à sa position mais le milieu a tourné. Il faut un nouveau tour pour que l’ensemble grain + milieu autour revienne à la position de départ.

Après l’unité dialectique de la matière et de la lumière, et celle de la lumière et du vide, il est donc nécessaire de remonter un cran dans la contradiction : concevoir l’unité dialectique des contraires : la matière/lumière et le vide. Tous les phénomènes précédents ne peuvent en effet s’interpréter que comme une inséparabilité de la particule et du milieu (vide). Ainsi, comme a l’a déjà exposé, si la particule diffracte (comme la lumière) en passant une fente étroite, c’est parce qu’elle perd ainsi le milieu agité qui l’entoure et par rapport auquel elle détermine son orientation. Tous les phénomènes étonnants développés par la physique quantique ont lieu à une distance courte (d’espace et de temps) pour laquelle se dissocient la particule et le milieu, que l’on examine ou mesure l’un seul ou l’autre seul.

La plus connue et la plus convaincante des expériences quantiques menant à renoncer à l’image classique de la physique est toujours l’expérience des fentes de Young. On se souvient qu’il s’agit de l’émission par une source qui est envoyé sur un écran en passent par deux fentes proches. On constate que les émissions lumineuses causent des impacts discrets (ponctuels) sur un écran, que les émissions de particules produisent des interférences sur l’écran. Et surtout, on remarque que, même si un corpuscule passe par une seule fente, il n’est pas équivalent de fermer ou pas l’autre fente. En effet, en la fermant, on empêche (dans le cas de fentes suffisamment étroites) le milieu agité par la présence du corpuscule avant les fentes de passer après les fentes. Du coup, le corpuscule est dispersé après le passage de la fente. La relation entre matière et vide est donc à la base de la compréhension des phénomènes quantiques. Remarquons qu’il y a bien longtemps, plusieurs expériences (comme la pression du vide sur la matière ou effet Casimir) d’action du vide sur la matière avaient déjà été mises en évidence. Cependant, on considérait toujours que le vide était le milieu qui ne perturbait pas le mouvement de la lumière (puisqu’on la considérait comme à rectiligne uniforme dans le vide) et le mouvement ou le changement de la matière. La conception selon laquelle matière et vide interagissent sans cesse au cours du processus fondamental de chaque particule est donc un renversement considérable de point de vue.

Comment concevoir qu’un corpuscule qui arrive comme un grain sur un écran (un par un et localisé) puisse dessiner une figure d’interférence si la source émet un grand nombre de corpuscules qui passent par deux fentes ouvertes alors qu’il n’y a pas d’interférence quand on ferme une fente ? Les corpuscules arrivant de façon discrète, un par un et indépendamment les uns des autres, il faut considérer que l’interférence a lieu pour un corpuscule seul. Le corpuscule ne peut interférer qu’avec lui-même en conséquence. Comment est-ce possible qu’il n’interfère avec lui-même que lorsque les deux fentes sont ouvertes ? C’est qu’il faut que quelque chose passe aussi par la deuxième fente. Rappelons nous que les expériences de fentes fonctionnent avec des fentes suffisamment étroites pour laisser passer le corpuscule sans laisser passer l’onde du corpuscule, agitation du vide qui entoure le corpuscule et se propage autour. C’est cette agitation qui parvient à passer par la deuxième fente si elle est ouverte puis rejoint le corpuscule derrière les fentes. L’expérience des fentes de Young nécessite que le corpuscule interfère avec le vide, tantôt destructivement tantôt constructivement. Cela signifie que, de façon très brève, le corpuscule est inhibé par le vide. Son agitation interne supprime la structure du corpuscule puis la reconstruit en un temps très court. C’est un processus de rétroaction (inhibition de l’inhibition). C’est ce processus qui est fondamental pour le photon. Le corpuscule lumineux n’est le sujet d’un processus périodique qu’à cause de la rétroaction du vide qui détruit périodiquement le corpuscule. C’est le seul processus qui permette de rendre compte à la fois des effets type grain du rayonnement (comme l’arrivée discrète et localisée sur un écran, l’effet Compton, l’effet photoélectrique [13], etc) et de des effets type onde (périodicité, phase, interférences destructives et constructives entre deux rayonnements, etc). Par exemple, un photon se transforme en couple éphémère électron antiélectron. D’autres particules d’interaction se transforment en proton antiproton. Ces couples se recomposent ensuite avec de la matière ou avec des particules et antiparticules éphémères du vide.

La particule matérielle ou l’atome sont eux aussi sujets au même caractère double (onde/corpuscule) dont la contradiction provient du fait que les effets sont apparemment logiquement opposés (localisé/étendu dans tout l’espace, interférence/pas d’interférence, etc). Ces phénomènes ne peuvent se produire que si la particule matérielle subit les mêmes interférences avec le vide sur un temps beaucoup plus court. Ces interférences entre particule et vide sont les ondes de Broglie. Bien d’autres phénomènes quantiques ne peuvent être interprétés que comme l’interaction entre le corpuscule et son milieu. C’est le cas du moment cinétique. L’électron isolé en a un qui n’est pas nul alors qu’en physique classique toute particule isolée a un moment cinétique nul. Cela signifie que l’électron n’est pas isolé mais en connexion avec le vide agité que représente son milieu, ce que l’on appelle son onde. Ondulatoire comme le corpuscule lumineux, il disparaît aussi mais dans un temps trop court pour être perçu. Par contre ses propriétés d’interférence avec le vide montrent que lui aussi disparaît puis réapparaît. En conclusion, le processus fondamental qui maintient la particule dans son état pendant un certain temps consiste en sa disparition et sa réapparition de façon permanente et très rapide. Cela explique également qu’il soit impossible de suivre un corpuscule de façon continue puisqu’il disparaît périodiquement et ne réapparaît pas exactement au même endroit. D’où le caractère flou à une petite échelle des corpuscules et des atomes qui a été l’une des découvertes étonnantes de la physique quantique. C’est en effet en contradiction avec les propriétés de l’atome à notre échelle, humaine. Quand on examine des atomes dans un grand groupe d’atomes, ils ne se comportent pas de façon floue, ils n’ont pas l’air ni d’apparaître ni de disparaître. Ils sont « classiques » et non « quantiques ». La séparation, qui a fait couler tant d’encre, entre classique et quantique (expérience de pensée du chat de Schrödinger par exemple) s’expliquerait donc par l’effet destructif et constructif du vide. Lorsque les atomes sont nombreux à proximité, les messages qu’ils échangent (photons) suppriment l’effet destructif de l’agitation du vide. Cette agitation interne permanente du vide a été longtemps ignorée. C’est elle qui est en cause dans les inégalités d’Heisenberg. Le vide agite la matière comme la lumière. A l’échelle d’un corpuscule, elle rend le mouvement et la présence du corpuscule flous. Elle empêche de connaître précisément les deux.

On savait que le corpuscule lumineux peut disparaître et apparaître dans le vide. L’étonnement est plus grand en ce qui concerne la matière. Comment le vide peut-il déstructurer des corpuscules matériels pourtant solides ? En pénétrant la structure de la matière. Cela suppose qu’elle soit constituée du même type d ‘éléments du vide (une membrane dynamique appelée « écran » du corpuscule faite de particules et d’antiparticules virtuelles apparaissant et disparaissant mais rangées selon une forme globalement maintenue) mais rangés selon un certain ordre que l’agitation du vide perturbe. Rappelons que le vide est lui-même constitué de particules et d’antiparticules virtuelles qui interagissent, apparaissant et disparaissant dans des temps inférieurs au temps de Planck [14]. Dans le vide ces particules virtuelles ne sont pas organisées selon des structures mais agitées en tous sens.

Atome : rétroaction de la matière/lumière et du vide (de la microphysique à l’astrophysique)

* 01- Les contradictions des quanta

* 02- La matière, émergence de structure au sein du vide

* 03- Matière et lumière dans le vide

* 04- Le vide, … pas si vide

* 05- Le vide destructeur/constructeur de la matière

* 06- La matière/lumière/vide : dialectique du positif et du négatif

* 07- La construction de l’espace-temps par la matière/lumière

* 08- Lumière et matière, des lois issues du vide

* 09- Matière noire, énergie noire : le chaînon manquant ?

* 10- Les bulles de vide et la matière

* 11- Où en est l’unification quantique/relativité

* 12- La symétrie brisée

* 13- Qu’est-ce que la rupture spontanée de symétrie ?

* 14- De l’astrophysique à la microphysique, ou la rétroaction d’échelle

* 15- Qu’est-ce que la gravitation ?

* 16- Big Bang ou pas Big Bang ?

* 17- Qu’est-ce que la relativité d’Einstein ?

* 18- Qu’est-ce que l’atome ?

* 19- Qu’est-ce que l’antimatière ?

* 20- Qu’est-ce que le vide ?

* 21- Qu’est-ce que le spin d’une particule ?

* 22- Qu’est-ce que l’irréversibilité ?

* 23- Qu’est-ce que la dualité onde-corpuscule

* 26- Le quanta ou la mort programmée du continu en physique

* 25- Lumière quantique

* 26- La discontinuité de la lumière

* 27- Qu’est-ce que la vitesse de la lumière c et est-elle indépassable ?

* 28- Les discontinuités révolutionnaires de la matière

* 30- Qu’est-ce qu’un système dynamique ?

* 31- Qu’est-ce qu’une transition de phase ?

* 32- Quelques notions de physique moderne

* 33- Qu’est-ce que le temps ?

* 34- Henri Poincaré et le temps

* 35- La physique de l’état granulaire

* 36- Aujourd’hui, qu’est-ce que la matière ?

* 37- Qu’est-ce que la rupture de symétrie (ou brisure spontanée de symétrie) ?

* 38- Des structures émergentes au lieu d’objets fixes

* 39- Conclusions provisoires sur la structure de la matière

* 40- L’idée du non-linéaire

*41- Univers fractal

*42- Qu’est-ce qu’un photon ?

*43- Physique quantique et philosophie

« Stabilité de la matière

La théorie quantique eut parmi ses premiers objectifs de comprendre la stabilité des édifices atomiques. En effet, un « électron classique » (non-quantique) pourrait orbiter à une distance arbitraire d’un « noyau classique ». Rayonnant de l’énergie électromagnétique, il pourrait se rapprocher indéfiniment du noyau, perdant dans cette chute une quantité d’énergie … infinie ! La théorie quantique, en corrélant l’extension spatiale d’un électron à son énergie cinétique (inégalités d’Heisenberg), interdit une telle catastrophe et assure l’existence d’atomes stables, dont l’énergie ne peut descendre en dessous d’un certain plancher absolu (niveau fondamental). Mais Pauli fit remarquer, dès les années 1925, que cette stabilité individuelle des atomes, si elle est nécessaire, ne suffit en rien à assurer la stabilité de la matière. (…) Si le principe de Pauli n’intervenait pas pour tenir les électrons à distance mutuelle, la matière serait incomparablement plus concentrée, d’autant plus que la quantité en serait plus grande. (…) Ajoutons enfin que le rôle du principe de Pauli ne se borne pas à assurer l’existence de la matière, mais conditionne toutes ses propriétés électroniques détaillées, en particulier la conductivité ou la semi-conductivité des matériaux qu’utilise la technologie électronique. »

Jean-Marc Lévy-Leblond dans « La quantique à grande échelle », article de l’ouvrage collectif « Le monde quantique »

« L’approche philosophique et culturelle des problèmes de la mécanique quantique devait tout naturellement privilégier les discussions sur le déterminisme… Alors qu’au fil des années 1930, Bohr tend à minimiser de plus en plus le côté contradictoire, paradoxale, de la complémentarité des aspects ondulatoire et corpusculaire, Louis de Broglie, au contraire, le souligne de plus en plus. Il parle de contradiction, d’exclusion, de conflit, mais rarement de complémentarité. Le conflit se généralise peu à peu pour devenir le conflit de la cinématique et de la dynamique. De Broglie l’illustre en réactualisant le paradoxe de Zénon : « Dans le macroscopique, Zénon paraît avoir tort, poussant trop loin les exigences d’une critique trop aïguë, mais dans le microscopique, à l’échelle des atomes, sa perspicacité triomphe et la flèche, si elle est animée d’un mouvement bien défini, ne peut être en aucun point de sa trajectoire. Or, c’est le microscopique qui est la réalité profonde, car il sous-tend le macroscopique. »


Louis de Broglie
 : «  A tout élément matériel de masse m est associée une onde do nt la longueur d’onde lambda est égale à h divisé par le produit de la masse m et de la vitesse v de cette masse. »


[1Quand la lumière passe dans une fente dont la taille est proche de la longueur d’onde, elle sort de la fente dans toutes les directions au lieu de poursuivre sa route rectiligne précédente. C’est aussi le cas pour une particule passant dans une fente proche de sa longueur d’onde dite de Broglie. Cette longueur d’onde est typiquement quantique puisqu’elle fait intervenir pour une particule la quantité de Planck h.

[2Lorsqu’il y a interférence, somme de deux phénomènes peut être destructive ou constructive dans une interférence. Il en découle des bandes d’apparitions et des bandes de disparitions. Cela dépend de la phase du phénomène (évolution cyclique dans le temps). En phases opposées, deux phénomènes se détruisent mutuellement au lieu de s’additionner.

[3Tout comme le rayonnement, la matière à petite échelle n’est pas définie par une position définie avec une précision infinie. Ce sont les inégalités d’Heisenberg qui limitent la connaissance de la position qui est inversement proportionnelle à la connaissance de la vitesse.

[4Une onde qui passe un obstacle devient flou .à la limite d’une surface solide. On s’aperçoit que le phénomène se produit pour de la matière.

[5Dans un milieu matériel, la lumière est dispersée. On connaît l’exemple des phares d’un véhicule dans le brouillard. On s’aperçoit que la matière est elle aussi dispersée comme une onde.

[6On savait déjà que les photons (grains lumineux) apparaissent et disparaissent dans le vide. Il en va de même des particules. Certains ont une durée courte de vie ou même très transitoires comme les résonances qui ont tout juste le temps d’apparaître et de disparaître.

[7« Il y a interférence même si les particules arrivent isolément (une par une) sur la cible. Comment expliquer dans ce cas que des interférences puissent se produire ? » écrit J.C Auffray dans « L’atome ».

[8« Les nombreuses discussions consacrées à l’interprétation des relations d’Heisenberg insistent le plus souvent sur les limites qu’elles imposent à la précision des mesures ou à la définition d’un état. L’insistance sur ces notions d’incertitude ou même d’indétermination présente le grave inconvénient de fixer les ambitions du physicien par référence à la description classique des phénomènes physiques. » écrivent Marc-Thierry Jaeckel, Astrid Lambrecht et Serge Reynaud dans « relativité du mouvement dans le vide », texte tiré de l’ouvrage collectif « Le vide ».

[9« Les états quantiques peuvent s’ajouter. Un proton peut tout aussi bien se trouver simultanément dans plusieurs états d’impulsions et de polarisations différentes. » écrit Maurice Jacob dans « Le temps et sa flèche ». Pour raisonner sur la dynamique de la matière, il faut considérer une superposition d’états. Par contre, si on effectue une mesure, on trouve un seul état. L’interprétation de cette situation a amené bien des raisonnements divers. Ici nous considérerons que ces états se succèdent très rapidement, trop vite pour être distingués par une expérience de matière/lumière. Des changements tellement rapides qu’ils sont assimilables à une transformation instantanée, c’est ce que nous appelons des révolutions.

[10Deux particules sont corrélées si elles réagissent comme si elles continuaient à rester connectées. Ce qui caractérise deux états corrélés, c’est qu’à distance, elles continuent à réagir de manière semblant concertée. En fait, il n’y a aucun transfert d’information cohérente puisque dans des états corrélés, les mesures donnent des résultats aléatoires.

[11Elle est conservée lorsque le processus inverse ferme la boucle de rétroaction. Son apparente constance est due à la rapidité des sauts. Si les états finaux sont divers, on constate une superposition d’états avec une loi probabiliste, comme c’est le cas par exemple en microphysique. L’apparence aléatoire du phénomène est due au fait que la mesure ne peut donner que l’un des états et qu’il n’y a pas moyen de les distinguer vu leur faible distance dans le temps par rapport au temps caractéristique de l’observation.

[12« Si deux électrons (de même polarisation) tentent de se rendre en un même point de l’espace-temps, l’interférence est toujours négative. » Il remarque que, toujours par interférence, « les photons ont tendance à se rendre en un même point de l’espace-temps. (...) cette interférence de deux photons est toujours additive. » expose Richard Feynman dans « Lumière et matière »

[13Un grain lumineux (photon) arrache un électron à la matière.

[14Dans l’univers matière/lumière les constantes de Planck sont des limites inférieures de temps, de distance et d’action. La distance minimale est un milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de centimètre. Le temps minimum est le temps nécessaire pour parcourir cette distance à la vitesse « de la lumière c » c’est-à-dire à environ 300 000 km par seconde.

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