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Qu’est-ce que le décalage de Lamb et que révèle-t-il sur le monde (matière-lumière-vide)
lundi 24 mars 2025, par
Qu’est-ce que le décalage de Lamb et que révèle-t-il sur le monde (matière-lumière-vide) ?
La découverte :
https://vixra.org/pdf/1806.0316v1.pdf
Il y a du neuf sur le décalage de Lamb :
https://fondationlouisdebroglie.org/AFLB-142/BLAIVE2.pdf
https://fondationlouisdebroglie.org/AFLB-232/Boudet.pdf
https://cahier-de-prepa.fr/mp1-janson/download?id=2708
https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-35-17-2861
https://home.cern/fr/news/news/physics/gbar-joins-anticlub
Le rayonnement est un processus commun aux systèmes classiques et quantiques avec des effets très différents dans chaque régime. Dans un système quantique, l’interaction d’un électron lié avec son propre champ de rayonnement conduit à des déplacements complexes des niveaux d’énergie de l’électron, la partie réelle du déplacement correspondant à un déplacement du niveau d’énergie et la partie imaginaire à la largeur du niveau d’énergie. Le déplacement radiatif le plus célèbre est le déplacement de Lamb entre les niveaux 2 s 1 / 2 et 2 p 1 / 2 de l’atome d’hydrogène. La mesure de ce changement en 1947 par Willis Lamb Jr. a prouvé que la prédiction de la théorie de Dirac selon laquelle les niveaux d’énergie étaient dégénérés était incorrecte. Le calcul du décalage par Hans Bethe a montré comment gérer les divergences qui affligent les théories existantes et a conduit à la compréhension que les interactions avec le champ de vide du point zéro, l’état d’énergie le plus bas du champ électromagnétique quantifié, ont des effets mesurables, et ne se limitent pas à réinitialiser le champ électromagnétique quantifié de point zéro d’énergie. Cette compréhension a conduit au développement de l’électrodynamique quantique moderne (EDQ). Cet article pédagogique historique explore l’histoire du calcul de Bethe et sa signification. Il explore les effets radiatifs dans les systèmes classiques et quantiques sous différents angles, en mettant l’accent sur la compréhension des phénomènes physiques fondamentaux. Les illustrations sont tirées de systèmes comportant des forces centrales, l’atome H et l’oscillateur harmonique tridimensionnel. Un calcul QED de premier ordre du déplacement radiatif complexe pour un électron sans spin est exploré en utilisant les équations du mouvement et l’opérateur masse 2, décrivant les phénomènes fondamentaux impliqués et reliant les résultats aux diagrammes de Feynman.
https://www.researchgate.net/publication/340613671_History_and_Some_Aspects_of_the_Lamb_Shift
L’interaction de nombreux atomes identiques à deux niveaux avec un champ de rayonnement commun conduit à une modification profonde des caractéristiques temporelles, directionnelles et spectrales de leur émission collective par rapport à celle d’un atome unique. Un exemple frappant est le phénomène de superradiance qui se manifeste par une forte accélération de l’émission spontanée collective [1]. Il a été prédit que l’émission superradiante de lumière s’accompagne d’un décalage radiatif de l’énergie de transition atomique, le décalage de Lamb collectif [2]. Dans le régime optique, cet effet s’est avéré extrêmement difficile à observer en raison des interactions atome-atome et des effets de diffusion multiples. Nous explorons ici la manifestation de la superradiance et du décalage de Lamb collectif dans le régime des rayons X durs en utilisant l’isotope Mössbauer 57Fe (énergie de résonance 14,4 keV, largeur de raie naturelle 4,7 neV) comme système à deux niveaux. Notre approche permet non seulement de contourner les problèmes intrinsèques des approches précédentes, mais fournit également une résolution spectrale suffisamment élevée pour détecter de petits décalages d’énergie. Pour comprendre le décalage de Lamb collectif, nous examinons d’abord le décalage de Lamb d’un atome unique. L’émission et la réabsorption de photons virtuels au sein d’un même atome entraînent une petite correction de son énergie de transition, également appelée auto-énergie. L’observation et l’explication de ce décalage (pour l’hydrogène atomique) ont ouvert la voie au développement de l’électrodynamique quantique en tant que théorie unifiée de l’interaction lumière-matière. Willis E. Lamb a reçu le prix Nobel de physique en 1955 pour sa découverte. Si l’atome est maintenant entouré d’un ensemble d’atomes identiques, le photon émis peut être absorbé non seulement par le même atome mais aussi par des atomes identiques au sein de l’ensemble. Considérant un tel ensemble d’atomes identiques comme un atome « géant », l’émission et la réabsorption de photons au sein de l’ensemble lui-même entraînent à nouveau une correction de l’auto-énergie (à valeur complexe) de l’énergie de transition. La partie réelle de cette quantité est le décalage de Lamb collectif, la partie imaginaire est la largeur de désintégration superradiante.
https://www.esrf.fr/UsersAndScience/Publications/Highlights/2010/dec/dec01
B. J. Hiley dans « La philosophie du vide » (ouvrage collectif dirigé par Saunders et Brown) :
« 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. »
D. W. Sciama dans « The philosophy of vaccum » :
« Nous devrions considérer le Lamb Shift et la chute spontanée de l’atome vers son état de base comme une manifestation des fluctuations du vide. »
« Mécanique quantique » de Cohen-Tannoudji-Diu-Laloë :
« On en déduit que, dans le vide, c’est-à-dire en l’absence de tout photon, le champ électromagnétique en un point de l’espace a une valeur moyenne nulle mais un écart quadratique moyen non-nul (variant bien sûr d’une mesure à l’autre), même si aucun photon n’est présent dans l’espace. Cet effet n’a aucun équivalent en théorie classique où, lorsque l’énergie est nulle, le champ est rigoureusement nul. On exprime souvent le résultat précédent en disant que le « vide » de photons est le siège de fluctuations de champ appelées « fluctuations du vide ». L’existence de ces fluctuations a des conséquences physiques intéressantes en ce qui concerne l’interaction d’un système atomique avec le champ électromagnétique… Même en l’absence de tout photon incident l’atome « voit » les « fluctuations du vide » liées au caractère quantique du champ électromagnétique. Sous l’effet de ces fluctuations, il peut émettre un photon et retomber dans son étét d’énergie inférieure (l’énergie du système global étant conservée lors de ce processus) : c’est le phénomène d’ « émission spontanée » que l’on peut ainis considérer en quelque sorte comme une « émission induite par les fluctuations du vide » (il ne peut y avoir d’absorption spontanée qui ferait passer l’atome dans un état d’énergie supérieure, car aucune énergie électromagnétique ne peut être extraite du champ, qui est dans son état fondamental). On peut montrer qu’un autre effet des « fluctuations du vide » est de faire subir aux électrons des atomes un mouvement erratique qui modifie légèrement les énergies des niveaux. L’observation de cet effet sur le spectre de l’atome d’hydrogène (« Lamb shift », ou déplacement de Lamb) a constitué le point de départ d’électrodynamique quantique moderne. »
Quand on calcule, par les lois quantiques, l’énergie minimale du champ électromagnétique, on s’aperçoit qu’elle n’est pas nulle. Le résultat peut être interprété par l’existence de fluctuations spontanées du champ. En d’autres termes : bien qu’en moyenne la valeur du champ électromagnétique soit nulle dans cet état d’énergie minimale qu’est le « vide », elle fluctue continuellement et aléatoirement autour de zéro, en positif comme en négatif. Ces fluctuations baignent tout l’espace et donnent lieu à une certaine énergie appelée « énergie de point zéro ». Il se trouve que sa valeur est infinie, ce qui a bien sûr soulevé une difficulté ; mais les physiciens la surmontent en faisant remarquer que l’énergie de point zéro, même infinie, n’est pas observable : seules les différences d’énergie le sont.
Loin d’être marqué par une immobilité parfaite comme on le pensait, le vide est le siège de l‘agitation bien plus instable que la matière. Le contenu du vide est très réel : des fluctuations d’énergie désordonnées en tous sens, désordonnées dans l’espace comme dans le temps. Nous trouvons dans le vide quelque chose qui ressemble à une particule matérielle ou à un photon (rayonnement), elle s’évanouit très rapidement. C’est si rapide que ce n’est pas perceptible à notre échelle. Nous disons qu’il s’agit d’objets « virtuels » qu’il conviendrait plutôt d’appeler éphémères relativement à la matière et hors du temps relativement au vide lui-même.
D. W. Sciama dans « The philosophy of vaccum » :
« Un électron, qu’il soit libre ou lié, est toujours le sujet de forces stochastiques produites par les fluctuations du vide dans le champ électromagnétique, et il en résulte qu’il exécute un mouvement brownien. (…) le fameux Lambshift entre les énergies des électrons s et p de l’atome d’hydrogène. Welton (1948) montra que le shift provenait d’effets induits par le mouvement brownien. (…) Si un atome est dans un état excité, on peut s’attendre à ce qu’il subisse une transition vers un état fondamental, en émettant en même temps un ou plusieurs quanta de radiation. (…) L’atome qui est à son état fondamental y est maintenu en émettant et recevant continuellement des radiations d’énergie de la part des fluctuations du champ électromagnétique du vide (…) De ce point de vue, l’atome d’hydrogène a un état stable de base qui fait que l’électron ne tombe pas sur le proton seulement parce qu’il pompe de l’énergie du champ électromagnétique du vide. (…) Nous devrions considérer le Lamb Shift et la chute spontanée de l’atome vers son état de base comme une manifestation des fluctuations du vide. »
Michel Cassé dans « Dictionnaire de l’ignorance » :
« 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. »
« Du vide à l’univers » de Edgar Gunzig, article de l’ouvrage collectif « Le vide » :
« L’énergie de point zéro du vide, emmagasinée dans ses fluctuations quantiques, ne peut être, a priori, exploitée en fournissant de l’énergie utilisable. On ne peut transférer de l’énergie par demi-quanta ! Seuls certains de ses effets indirects sont mesurables, comme le déplacement de Lamb des niveaux d’énergie d’un atome ou l’émission spontanée des niveaux excités, stimulée par ces fluctuations. C’est précisément le face-à-face de la relativité générale et de la théorie quantique des champs qui transcende cette impossibilité apparemment irréductible, l’énergie de point zéro du vide quantique y devient un réservoir inépuisable d’énergie. L’intimité des liens que nouent les divers types de fluctuations entre elles est, en effet, bien plus important qu’il n’y paraît. La courbure est non seulement sensible à toute forme d’énergie, mais, réciproquement, l’énergie ressent la présence de la courbure, ce double jeu étant contrôlé par les équations non linéaires d’Einstein. En d’autres mots, les fluctuations quantiques du vide engendrent et ressentent en retour les fluctuations (classiques) de la courbure de la géométrie. Les fluctuations quantiques du vide, tout comme les fluctuations classiques de la courbure, se ressentent donc elles-mêmes dans une dynamique non linéaire. Elles peuvent dès lors éventuellement s’auto-amplifier, les fluctuations géométriques et celles du vide s’épaulant les unes les autres, dans une cascade non linéaire de réponses réciproques ! Mais que signifierait une telle auto-amplification ? L’amplification d’une fluctuation du vide s’exprimerait par une activation de l’énergie qui la caractérise, ce qui se traduirait par une excitation permanente du vide et... donc la création de particules (réelles) qui accompagnent cette excitation. Et voilà que des particules surgiraient du vide ! »
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).
Pour distinguer un photon « ordinaire », qui possède une énergie et une impulsion bien définies, des photons éphémères échangés au cours d’une diffusion, ceux-ci sont appelés virtuels. Les photons virtuels ne sont pas vus explicitement dans une diffusion. Les photons virtuels ne sont pas vus explicitement dans une diffusion : il s’agit d’un arrangement strictement privé entre les particules chargées en jeu. Nous pouvons considérer ces photons virtuels comme des messagers, porteurs de la force électromagnétique. En général, un photon virtuel peut vivre pendant un laps de temps égal à la constante de Planck divisée par l’énergie du photon, soit l’inverse de sa fréquence. Pendant ce temps, le photon virtuel parcours une distance égale à la vitesse de la lumière c divisée par la fréquence, soit une longueur d’onde. Cela diffère beaucoup d’un photon réel qui se détache complètement de l’électron qui l’émet et peut voyager très loin, jouissant d’une existence autonome. Les photons virtuels décrivent le champ à proximité d’une charge électrique, tandis que les photons réels appartiennent au champ lointain (le rayonnement). Les photons virtuels ne privent pas de façon permanente un électron d’énergie, des photons réels le peuvent. Nous pouvons considérer ces photons virtuels comme des messagers, porteurs de la force électromagnétique. En général, un photon virtuel peut « vivre » pendant un laps de temps égal à la constante de Planck h divisée par l’énergie empruntée, ici celle d’un photon soit constante de Planck fois la fréquence, donc ce laps de temps est l’inverse de la fréquence du photon. Pendant cette durée de vie, le photon parcourt une distance égale à la vitesse de la lumière c fois le temps, donc c divisé par la fréquence égale une longueur d’onde. Cela diffère beaucoup d’un photon réel qui se détache complètement d’un électron et peut voyager très loin, jouissant d’une existence autonome. Les photons virtuels décrivent le champ à proximité d’une charge électrique, tandis que les photons (dits réels) appartiennent au champ lointain (le rayonnement). Les photons virtuels ne privent pas de façon permanente un électron d’énergie, des photons réels le peuvent. Nous pouvons identifier les photons virtuels au champ électrostatique, qui décroit comme l’inverse du carré de la distance de la particule chargée, et les photons réels au rayonnement électromagnétique qui décroit plus lentement, comme l’inverse de la distance, et voyage donc au loin. (…) En raison de la relation d’incertitude temps-énergie, il est impossible de dire quelle est la particule qui, dans une diffusion, émet le photon virtuel et quelle est celle qui l’absorbe. L’ordre dans lequel se produisent ces deux événements proches ne peut être déterminé. (…) Un photon virtuel ne peut voyager au-delà d’une longueur d’onde et il est donc inutilisable pour transporter les messages. Seuls les photons réels transportent une information. (…) Un électron isolé peut être considéré comme émettant et réabsorbant continuellement des photons virtuels, dans les limites permises par les relations d’incertitude. Chaque électron est enveloppé d’un essaim de photons virtuels qui bourdonnent autour de lui de façon éphémère. Cela est aussi vrai de toutes les particules chargées. Les photons virtuels qui enveloppent un électron lui sont étroitement liés par le principe d’incertitude, et ne s’aventurent jamais très loin. Si pourtant l’électron venait à disparaitre, les photons virtuels n’auraient plus rien pour les retenir et s’en iraient au loin comme les photons réels. Une disparition soudaine d’un électron n’est pas aussi improbable qu’il le semble : nous savons que s’il venait à rencontrer un positron, il s’annihilerait avec lui. Nous pouvons donc considérer les rayons gamma produits par l’annihilation d’un électron et d’un positron comme le résidu des photons virtuels que ces particules emportaient toujours avec elles, et que leur soudaine disparition a libéré. (…) Le lecteur ne doit pas considérer 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. L’un des plus célèbres est le léger décalage qui apparaît dans les niveaux d’énergie de tous les atomes, de l’hydrogène en particulier et que l’on appelle le décalage de Lamb. Il est dû à la perturbation apportée par le noyau, chargé électriquement, au nuage de photons virtuels qui entoure l’électron, perturbation qui change un tout petit peu l’énergie de l’électron. 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 virtuelle électron-positron conduit à un effet intéressant appelé la 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. (...) Même en l’absence de particules réelles, l’espace apparemment « vide » est rempli d’un ferment de particules virtuelles de toutes sortes. En fait, les jongleries des particules réelles peuvent être considérées comme une simple écume sur un océan d’activité frémissante du vide.
https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6251
Ce qu’en dit wikipedia :