Matière et Révolution

Les particules du vide quantique, dites virtuelles, sont matérielles et bien réelles

Robert Paris — 2026-06-16T22:06:00Z

Les particules dites virtuelles, celles, éphémères, du vide quantique qui sont mariées à des antiparticules, sont matérielles et bien réelles

Avertissement : la physique quantique n'est pas du tout de l'informatique, de la simulation, des robots, de l'intelligence artificielle, ni des ordinateurs… Cela n'a rien à voir ! L'emploi du terme « virtuel » pour les particules du vide est trompeur. Il s'agit bel et bien de matière et pas d'information. Comme la matière habituelle dite « réelle », la matière du vide, dite virtuelle ce sont des quanta d'action. Il suffit de capter ou d'émettre un boson de Higgs pour passer de particule virtuelle à particule réelle. Tout comme il y a des électrons, des protons, des neutrons, des neutrinos réels, il y en a de virtuels. Toute particule réelle a son équivalent virtuel.

Quand on parle de « virtuel », il ne s'agit pas de créations pures de la pensée humaine qui n'ont pas d'existence réelle

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5023

La matière est virtuelle et le virtuel est matière

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1324

Certains limitent le virtuel à une fluctuation de la mer du vide

https://cea.hal.science/cea-03518323/document

Le virtuel du vide quantique est une réalité perceptible par l'expérience

https://lejournal.cnrs.fr/articles/toucher-lenergie-du-vide

Ce sont des sujets qui suscitent des débats animés

https://fr.quora.com/Virtuel-versus-R%C3%A9el-Pouvez-vous-d%C3%A9finir-le-lien-qui-les-relie-Comment-le-d%C3%A9finissez-vous-conceptuellement-En-quoi-leur-compr%C3%A9hension-vous-parait-elle-essentielle

https://fr.quora.com/Qui-pourrait-mexpliquer-ce-que-cest-une-particule-virtuelle-Jarrive-pas-%C3%A0-comprendre-le-mot-virtuelle-dans-tout-%C3%A7a

https://fr.quora.com/Comment-les-particules-virtuelles-et-et-les-photons-virtuels-du-vide-quantique-%C3%A9mergent-dans-la-r%C3%A9alit%C3%A9-physique-structur%C3%A9e

En réalité… qu'est-ce que le virtuel (celui qui n'est nullement créé par l'homme) ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1469

Le vide quantique et ses liens avec la matière durable dite réelle, par opposition avec la matière éphémère dite virtuelle

https://www.matierevolution.fr/spip.php?page=recherche&recherche=vide+quantique

Le vide quantique est partout en Physique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4372

Le virtuel du vide quantique n'a rien d'une simulation informatique, fabriquée par l'homme, par une machine ou un robot

https://www.vice.com/fr/article/elon-musk-a-tort-nous-ne-vivons-pas-dans-une-simulation/

Des structures émergentes au lieu d'objets fixes

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article26

Vide et matière

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6557

https://www.matierevolution.fr/spip.php?breve88

https://www.matierevolution.fr/spip.php?breve95

https://www.matierevolution.fr/spip.php?breve825

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article923

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article43

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article441

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3835

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1688

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6728

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6721

Et les photons virtuels ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6251

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5233

Lumière et matière sont issus du vide quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article38

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article46

Lire encore sur le vide quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article7515

Qu'est-ce que la physique quantique ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article568

Actualité scientifique du vide quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6065

Le vide, … pas si vide

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article39

La matière, émergence de structure au sein du vide

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article37

Comment électricité et magnétisme s'entremêlent dialectiquement dans le vide quantique ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3573

Conférences sur le vide quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6043

Feynman et le vide quantique

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5234

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4097

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4893

Comprendre les bases de la Physique Quantique sans connaissances mathématiques préalables

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5361

La relation matière/lumière/vide

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article44

Tous quantiques

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4900

Dix raisons qui font que les quanta ne sont pas des objets classiques

Robert Paris — 2026-01-28T23:57:00Z

Dix raisons qui font que les quanta, particules réelles et virtuelles, noyaux atomiques, atomes et molécules ne sont pas des objets au sens de ceux du monde de notre vie quotidienne

Les raisons de distinguer nettement entre, d'un côté, des rochers, des tapis, des meubles, des livres, des êtres vivants, des bouteilles et, de l'autre, des molécules, des atomes, des noyaux atomiques, des particules, des quanta, c'est que….

1°) Les premiers sont tous des différents, ce sont des individus et il n'en existe pas deux qu'on ne puisse pas distinguer, même s'ils sont très ressemblants. L'identique n'existe pas parmi les objets qui nous entourent, qu'ils soient inertes ou vivants. Il n'y a pas davantage deux billes absolument identiques que deux êtres humains identiques ou que deux fils identiques ou des étoiles identiques. Par contre, deux quanta de même type dans le même état sont identiques. S'ils se rapprochent, on ne peut plus les distinguer. Il en va de même de deux électrons ou encore de deux protons, deux noyaux, deux atomes ou deux molécules de même type dans le même état. Ils ne peuvent pas être distingués non seulement par l'observation mais aussi par la théorie. Cela signifie que la nature elle-même ne distingue pas les deux quanta. C'est donc exactement l'inverse de la situation de deux objets à notre échelle qui, eux, ne sont jamais absolument identiques.

2°) Les objets à notre échelle, non quantiques si l'on peut dire car nous verrons qu'en fait toute la réalité a un fondement quantique, ont une autre particularité qui les distingue des objets quantiques : les premiers suivent des trajectoires, les seconds non. Les premiers semblent passer continument d'un point à un autre sans rupture alors que les seconds sautent toujours d'une position à une autre, sans continuité. Le saut n'existe pas apparemment dans la réalité à notre échelle et elle est la règle pour les quanta. On peut suivre la trajectoire d'un boulet ou d'un avion comme s'ils suivaient des parcours continus sans aucun saut, de manière complètement opposée au mouvement des quanta. Pire même, quand on suit le parcours d'un quanta, on ne peut même pas être sûrs que c'est toujours le même ! Là aussi, ce n'est pas notre observation qui ne permet pas d'être sûrs, la théorie aussi ne le permet pas ce qui signifie que la nature ne peut pas discriminer entre une particule et une autre passant à proximité. Elles peuvent s'échanger sans que cela change rien à la dynamique…

3°) En fait, les quanta ne peuvent pas passer d'une position à une autre continument parce qu'ils n'ont pas une position mais une probabilité de présence concentrée dans une zone qui est déterminée et ils sautent d'une probabilité de présence dans une zone à une autre… probabilité de présence (et pas une position) ! Ce n'est absolument pas le cas pour la matière à notre échelle. Les quanta sont marqués de manière obligatoire et permanente par les inégalités d'Heisenberg qui ne peuvent pas être violées alors qu'elles n'existent absolument pas pour la matière à notre échelle. Ces imégalités relient des paramètres décrivant l'objet, paramètres dont les précisions sont reliées de la manière suivante : plus l'une est précise, plus l'autre… ne l'est pas ! Par exemple, la position d'un quanta et sa vitesse ne peuvent pas être précises en même temps. Cette propriété n'existe absolument pas pour la matière à notre échelle. Des précisions sur des paramètres du même objet qui diminuent quand d'autres augmentent, on ne trouve pas cela ni pour des boulets de canon, ni pour des avions, ni pour des véhicules, ni pour des planètes, ni pour aucun objet de notre monde quotidien.

4°) A notre échelle, les objets peuvent être mesurés, éclairés, captés, ou observés sans modifier ni interrompre la dynamique et ce n'est pas du tout le cas à l'échelle des quanta (de la particule à la molécule). Pire même, pour les quanta, il suffit de mesurer ou de capter un élément du quanta pour que les autres disparaissent !

5°) Les quanta sont à la fois ondes et corpuscules alors que les objets de notre monde sont ou l'un ou l'autre exclusivement. Du coup, capter le corpuscule quantique supprime immédiatement l'onde ! Comme si on supprimait un canard ou un bateau en supprimant l'onde qu'il produit sur une surface d'eau !

6°) La rotation est encore une source de discorde entre quantique et classique (comme on appelle le niveau macroscopique où ne se manifestent pas les effets quantiques). En effet, un objet quantique est ramené à son état de départ par une rotation de deux tours alors qu'un objet classique l'est par une rotation d'un seul tour. Et il n'existe aucun objet classique qui ait besoin de deux tours pour revenir à son état de départ !

7°) Encore une discorde : quand on compte le nombre d'objets. A notre échelle, on trouve un nombre fixe qui ne peut pas changer si on ne fait pas venir un objet de l'extérieur. Ceux qui prétendent le contraire sont des magiciens, des mystiques, des sorciers et autres diseurs de balivernes. A l'échelle quantique, le nombre d'objet n'est pas fixe. Des objets quantiques peuvent parfaitement apparaitre et disparaitre sans que cela n'ait rien de mystérieux ou de magique. On en comprend tout à fait le fonctionnement : il suffit qu'une particule du vide, dite virtuelle, reçoive suffisamment d'énergie (par exemple en recevant un boson de Higgs) pour qu'elle devienne brutalement réelle (elle a doublé son énergie interne).

8°) La loi de la conservation de l'énergie totale d'un système isolé, toujours vérifiée à notre échelle, ne peut pas fonctionner au niveau quantique pour la simple raison qu'il n'y existe pas de système isolé et que l'énergie du vide peut sans cesse en fournir aux quanta.

9°) La causalité suivant la flèche du temps est une règle à notre échelle et pas du tout à l'échelle quantique. Il est très possible que des actions se déroulent en termes quantiques en sens contraire de la flèche du temps. Les quanta ne suivent pas une seule suite d'événements ponctuels mais ils obéissent au passage d'un ensemble de possibles avec diverses probabilités à un autre ensemble de possibles avec diverses probabilités.

10°) De multiples notions, comme le spin, les orbitales, la réduction du paquet d'ondes, l'onde de probabilité de présence, l'effet tunnel, le nuage virtuel, les particules et antiparticules virtuelles et leur formation en nuage permettant notamment l'écrantage de la particule et le phénomène des fentes de Young, les créations-annihilations, les nombres quantiques, les transitions quantiques et bien d'autres encore n'ont absolument pas cours à notre échelle (physique classique) et sont incontiurnables au niveau quantique.

Que faut-il en déduire ? Que la physique classique a tout faux et qu'on est trompés par nos visions du monde de tous les jours ? Pas vraiment ! Que la physique quantique dit n'importe quoi ? Pas du tout ! Elle fonde toute la réalité aussi bien quantique que classique et explique les deux et aussi le passage de l'un à l'autre (appelé « décohérence »).

En fait, c'est la réalité quantique qui est à la base du monde, et aux fondements de cette réalité quantique, il y a les différents niveaux du vide quantique, appelé du virtuel. Cette physique est la physique quantique des champs dscrète au sens où elle est fondée sur des quanta virtuels (particules et antiparticules d'une énergie moitié de celle des particule dites réelles). Et à ce propos rappelons une onzième opposition entre le monde quantique et classique : dans le premier le vide ne s'oppose pas diamétralement à la matière, alors que dans le second la matière, c'est du vide !

Lire ensuite :

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6388

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5032

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3835

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2265

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4519

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article7439

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1698

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article568

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1710

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1324

L'interprétation de la Physique quantique est souvent victime du dualisme

Robert Paris — 2025-05-11T22:55:00Z

L'interprétation de la Physique quantique est souvent victime du dualisme

Qu'est-ce que le dualisme ? C'est une conception philosophique, notamment issue des religions, qui divise le monde en deux, d'un côté la vie et de l'autre la mort, d'un côté l'être et de l'autre le néant, d'un côté l'âme donnée par dieu et de l'autre le monde matériel, d'un côté la sainteté et le paradis et de l'autre le pêché, d'un côté l'esprit de l'autre le corps, d'un côté l'homme de l'autre la nature.

Quel rapport cette vieille question philosophique du dualisme peut-elle avoir avec la Physique quantique ? Nombre de commentateurs des expériences quantiques en déduisent que c'est l'esprit de l'expérimentateur qui a déterminé le résultat de l'expérience, niant ainsi non seulement l'objectivité des résultats mais, du coup, l'objectivité de l'existence même de la réalité matérielle.

Certains en déduisent même que nous vivons non dans un monde matériel mais dans une simulation fabriquée par notre esprit. Peut-on réellement déduire une telle affirmation des expériences quantiques les plus étonnantes (fentes de Young, expérience du type EPR, expérience d'Aspect, intrication, décohérence, réduction du paquet d'ondes, chat de Schrödinger ou autres) ?

Dans cet article, nous voulons montrer que le vide quantique, considéré comme la véritable base matérielle du monde, donne une réponse tout à fait satisfaisante qui permet d'interpréter toutes les expériences quantiques contraires à notre ancien réalisme ou matérialisme tout en rejetant le dualisme, le positivisme et l'agnosticisme (philosophie qui affirme que nous ne pouvons pas trancher). Le « virtuel » y est considéré comme réel et le « réel » seulement une construction à partir du virtuel.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1469

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1324

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4519

http://www.matierevolution.org/spip.php?article4516

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article43

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article923

Rappelons en effet que la « réalité » d'une particule n'est rien d'autre qu'une question d'énergie suffisante, laquelle est transmise par le boson de Higgs à une particule dite auparavant « virtuelle ». La réalité de la particule est durable mais la particule qui l'obtient ne l'est pas. Cette « réalité » transmise par le Higgs saute d'une particule virtuelle à une autre. Et c'est cela qui est cause de tous les étonnements que l'on constate en examinant les expériences quantiques ! Mais c'est aussi le moyen de les expliquer tous sans nier la réalité matérielle, la vraie, celle des particules dites virtuelles, c'est-à-dire celle du vide quantique. C'est cela qui explique aussi bien l'expérience des fentes de Young, le caractère probabiliste de la présence d'une particule, les inégalités d'Heisenberg et autres « bizarreries quantiques »…

La physique quantique nous condamne-t-elle à ne pas décrire du tout la réalité sous-jacente aux lois de la physique ? Pas du tout !

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3835

La matière existe objectivement, eh oui !

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4427

La physique quantique nie-t-elle vraiment que la matière existe ? Disons qu'elle affirme, souvent de manière dite « positiviste » et à notre avis à tort, que l'on ne peut pas trancher sur l'objectivité de la matière.

« Bohr explique qu'il est impossible d'obtenir une séparation bien nette entre le comportement des objets atomiques et leur interaction avec les appareils de mesure qui définissent leurs conditions d'existence. Cela signifie que la vitesse d'une particule, par exemple, n'est pas une propriété de la particule, mais une propriété partagée entre la particule et l'instrument de mesure. De cela, Bohr déduit que l'on doit bien se garder de tout raisonnement sur la réalité objective non observée. » écrit Etienne Klein dans « Regards sur la matière ».

Le physicien quantique Werner Heisenberg explique que c'est la séparation radicale entre l'« objet » et l'observateur à travers ses appareils de mesure qui est illusoire :

« En physique classique, la science partait de la croyance - ou devrait-on dire de l'illusion ? - que nous pouvons décrire le monde sans nous faire en rien intervenir nous-mêmes. [...] La théorique quantique ne comporte pas de caractéristiques vraiment subjectives, car elle n'introduit pas l'esprit du physicien comme faisant partie du phénomène atomique ; mais elle part de la division du monde entre « objet » et reste du monde, ainsi que du fait que nous utilisons pour notre description les concepts classiques. Cette division est arbitraire. »

Il est exact que des physiciens quantiques éminents ont dit qu'on ne pouvait confirmer l'existence d'une matière indépendante de la pensée humaine :

Heisenberg :

« Il n'y a pas de monde quantique. Il y a seulement une description quantique abstraite. Il est erroné de penser que la tâche de la physique est de savoir ce qu'est la Nature. La physique s'occupe de ce que nous pouvons dire sur la Nature. »

Bohr :

« Vous voyez, la description de la mécanique quantique se fait en termes de connaissance. Et la connaissance nécessite quelqu'un qui connaît ».

Pourquoi la physique quantique nous pose autant de problèmes philosophiques ?

Prenons une particule et examinons son cheminement à travers un trou assez étroit. La particule émise d'un côté sort de l'autre côté, mais si le trou est étroit (de l'ordre de la longueur d'onde), la particule perd sa directionnalité. Que s'est-il passé. On dit qu'elle a diffusé. Mais ce que cela signifie pour un corpuscule ou pour une onde n'est pas identique. Un corpuscule muni d'une vitesse ne devrait pas diffuser, alors que, pour une onde, c'est normal. Mais la physique quantique répond que la particule ne peut connaître en même temps sa position et sa vitesse (inégalités d'Heisenberg) et, en passant par le trou, la connaissance de la position est trop grande pour conserver l'information de la vitesse. Que signifie pour la particule cette inégalité d'Heisenberg. Où se situent ces informations dans la particule, pour la physique quantique, c'est motus et bouche cousue. Aucune sorte de réponse ! Or, nous avons là un phénomène ultra simple. C'est seulement l'image de complémentarité onde/corpuscule qui passe mal… par le trou ! Et cela pour une raison fondamentale : personne n'est capable de nous donner une image de la relation entre l'existence sous forme d'onde de la particule et son existence sous forme de corpuscule...

Dans l'effet tunnel, la particule franchit un puit de potentiel en tant qu'onde qu'elle ne pourrait pas franchir en tant que corpuscule. Dans l'effet photoélectrique, la particule de lumière détache un électron de l'atome qu'elle ne pourrait pas détacher en tant qu'onde. Dans les fentes de Young, une particule interfère avec elle-même en passant à la fois par deux fentes ce qu'un corpuscule ne peut absolument pas faire et qu'une onde parvient aisément à faire.
A chaque fois qu'un phénomène fait appel au niveau quantique (par exemple un phénomène concernant une seule particule), on trouve ces contradictions irréductibles. Le problème conceptuel se situe des deux côtés : celui du corpuscule et celui de l'onde. Il y a un indéterminisme fondamental dans le niveau quantique et il est difficilement interprétable en termes de corpuscules. Cet indéterminisme s'exprime sous forme de probabilité. Il y a un déterminisme dans les lois quantiques et cela est difficilement en termes d'ondes réelles. Au point que la quantique a renoncé aux ondes réelles pour accepter les "ondes de probabilité de présence" !

Prenons un exemple de la première contradiction. Un rayonnement atteint une surface. Une partie du rayonnement traverse et une partie est réfléchie. On peut savoir quelle part (en pourcentage calculable) du rayonnement fera quoi mais on ne peut pas savoir quelle particule de lumière fera quoi. C'est seulement une probabilité. Alors comment une particule de lumière sait-elle si elle sera réfléchie ou réfractée ? Motus ! La quantique ne sait pas répondre ou affirme que la réponse ne vient pas de la nature !
D'autres phénomènes supposent qu'une particule soit déviée vers le haut ou vers le bas dans un certain pourcentage, mais, là encore, pour chaque particule, on ne sait pas si elle sera déviée vers le haut ou vers le bas et comment elle sait ce qu'elle doit faire, ni comment l'ensemble de ces particules réalise la probabilité voulue.

La lumière polarisée traversant un verre polarisateur est interprétée en physique quantique par le fait qu'une partie des photons passent et une partie sont bloqués de manière aléatoire en fonction d'une probabilité déterminée par le cosinus carré de l'angle d'incidence du rayon lumineux. Sauf que l'on ignore comment chaque photon sait qu'il va être bloqué ou pas et comment, du coup, la probabilité s'établit…

L'une des hypothèses est que la "particule" n'est rien d'autre qu'un phénomène issu d'un niveau d'organisation inférieur, mais ce niveau ne peut pas être constitué d'objets du type matière/lumière, la question dite des "paramètres cachés" ayant été résolue négativement. C'est donc le vide et les particules virtuelles qui seraient le fondement du phénomène émergent de matière/lumière. Reste à concevoir, donc à philosopher sur, cette émergence...

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2265

Certains commentateurs de la Physique quantique et même certains physiciens affirment que la matière n'existerait que pour une conscience humaine… Mais il n'est pas exact que ce soit la seule interprétation possible des expériences quantiques.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5023

Trust my science :

« Une expérience quantique le confirme : la réalité n'existe pas. »

https://trustmyscience.com/experience-quantique-confirme-que-la-realite-n-existe-pas-tant-qu-elle-n-est-pas-mesuree/

https://trustmyscience.com/experience-quantique-confirme-realite-objective-n-existe-pas/

Mais il n'est pas exact que la réalité n'existe que quand on l'observe ou qu'on la mesure

Le physicien Erwin Schrödinger dans « Physique quantique et représentation du monde » :

« Des systèmes microscopiques peuvent exister et posséder des propriétés définies indépendamment de toute connaissance qu'un observateur quelconque peut avoir ou ne pas avoir à leur sujet. »

Le physicien Einstein optait pour l'hypothèse réaliste.

« A la source de ma conception, il y a une thèse que rejettent la plupart des physiciens actuels (école de Copenhague) et qui s'énonce ainsi : il y a quelque chose comme l'état "réel" du système, quelque chose qui existe objectivement, indépendamment de toute observation ou mesure, et que l'on peut décrire, en principe, avec des procédés d'expression de la physique. » écrit Einstein, dans "Remarques préliminaires sur les concepts fondamentaux".

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4285

Werner Heisenberg résume ainsi la position d'Albert Einstein, qui s'opposait à l'interprétation de Copenhague :

« Cette interprétation [dit Einstein] ne nous décrit pas ce qui se passe, en fait, indépendamment des observations, ou pendant l'intervalle entre elles. Mais il faut bien qu'il se passe quelque chose, nous ne pouvons en douter ; [...] Le physicien doit postuler qu'il étudie un monde qu'il n'a pas fabriqué lui-même et qui est présent, essentiellement inchangé, si le scientifique est lui-même absent. »

Werner Heisenberg répond :

« L'on voit facilement que ce qu'exige cette critique, c'est encore une fois la vieille ontologie matérialiste. Mais quelle peut être la réponse du point de vue de l'interprétation de Copenhague ? [...] Demander que l'on « décrive ce qui se passe » dans le processus quantique entre deux observations successives est une contradiction in adjecto, puisque le mot « décrire » se réfère à l'emploi des concepts classiques, alors que ces concepts ne peuvent être appliqués dans l'intervalle séparant deux observations [...] L'ontologie du matérialisme reposait sur l'illusion que le genre d'existence, la « réaliste » directe du Monde qui nous entoure, pouvait s'extrapoler jusqu'à l'ordre de grandeur de l'atome. Or, cette extrapolation est impossible. »

En fait, il y a eu des physiciens quantiques ayant toutes les sortes de philosophie, du réalisme d'Einstein au monisme idéaliste de Schrödinger et la physique quantique est bien loin de favoriser particulièrement une thèse dualiste…

Deux exemples de déclarations de l'école de Copenhague

Le physicien quantique Born déclare :
« Le vrai positivisme est obligé de nier la réalité de l'existence objective du monde extérieur, ou, au moins, la possibilité d'affirmer quoique ce soit à son sujet. »

Le physicien quantique A. Landé affirmait :

« Il n'est pas étonnant que Sir James Jeans, après avoir étudié Bohr et Heisenberg, soit arrivé à la conclusion triomphale que la matière consiste en ondes de connaissance dans notre esprit. » (dans « Du dualisme à l'unité dans la physique moderne »)

Ces physiciens confondaient la découverte de la dynamique matérielle sans cesse changeante, d'une matière inséparable du vide quantique, sautant d'un état à un autre, capable de disposer de plusieurs potentialités, avec l'inexistence d'une matière objective. Ils confondaient également l'interaction particule-appareil de mesure avec une interaction corps-esprit. Ils découvraient que la matière n'est pas immuable et en déduisaient qu'elle n'existe pas !!! Ils ont confondu le fait qu'on ne trouve pas de brique élémentaire de la matière avec l'absence totale de la matière et la seule existence de la pensée sur la matière !!!

Il n'était nécessaire de suivre les pensées positivistes des tenants de l'école de Copenhague pour penser que l'on ne pouvait pas suivre une particule comme un objet individuel. Ainsi, Schrödinger, qui récusait Copenhague, écrivait :

« Les particules ne sont pas des objets identifiables. (...) elles pourraient être considérées comme des événements de nature explosive (...) On ne peut pas arriver – ni dans le cas de la lumière ni dans celui des rayons cathodiques - à comprendre ces phénomènes au moyen du concept de corpuscule isolé, individuel doué d'une existence permanente. »

Erwin Schrödinger, dans « Physique quantique et représentation du monde »

Schrödinger écrivait encore :

« Si j'observe une particule ici et maintenant, et si j'observe une particule identique un instant plus tard et à un endroit qui est très proche de l'endroit précédent, non seulement je ne peux pas être assuré qu'il s'agit de « la même » particule, mais un énoncé de ce genre n'aurait aucune signification absolue. Ceci paraît être absurde. Car nous sommes habitués de penser que, à chaque instant, entre les deux observations, la première particule doit avoir été « quelque part », qu'elle doit avoir suivi une « trajectoire », que nous connaissions celle-ci ou non. Et de même nous sommes habitués de penser que la seconde particule doit être venue de quelque part, doit avoir « été » quelque part au moment de notre première observation. (…) En d'autres termes, nous supposons – en nous conformant à une habitude de pensée qui s'applique aux objets palpables (note de matière et révolution : c'est ce que croyait Schrödinger avant que l'on montre que nous ne voyons rien en continu, même à notre échelle) – que nous aurions pu maintenir notre particule sous une observation « continue » et affirmer ainsi son identité. C'est cette habitude de pensée que nous devons rejeter. Nous ne devons pas admettre la possibilité d'une observation continue. Les observations doivent être considérées comme des événements discrets, disjoints les uns des autres. Entre elles il y a des lacunes que nous ne pouvons combler. Il y a des cas où nous bouleverserions tout si nous admettions la possibilité d'une observation continue. C'est pourquoi j'ai dit qu'il vaut mieux ne pas regarder une particule comme une entité permanente, mais plutôt comme un événement instantané. Parfois ces événements forment des chaînes qui donnent l'illusion d'être des objets permanents, mais cela n'arrive que dans des circonstances particulières et pendant une période de temps extrêmement courte dans chaque cas particulier. (…) »

La différence entre Copenhague et les autres physiciens, c'est que Copenhague affirmait que c'est l'observation qui créait la réalité, que les propriétés intrinsèques de la matière n'existaient que si on les observait et que, sinon, on ne pouvait rien dire dessus, que, par conséquent, la matière elle-même ne pouvait pas se voir attribuer une existence tant qu'on ne l'avait pas observée et qu'on ne pouvait rien dire sur ce qu'était la matière avant observation. Toute réalité objective devait donc être bannie, selon ces physiciens !

A contrario, on peut lire aujourd'hui :

« Des systèmes microscopiques peuvent exister et posséder des propriétés définies indépendamment de toute connaissance qu'un observateur quelconque peut avoir ou ne pas avoir à leur sujet. »
Bernard d'Espagnat, dans "Conceptions de la physique contemporain"

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3807

Est-ce que les expériences quantiques d'Alain Aspect démontrent que le réalisme d'Einstein était erroné ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6974

L'expérience d'Alain Aspect et ses implications

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4689

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article356

La décohérence contredit-elle le matérialisme ?

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3131

La réponse de Futura science :

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-physique-quantique-cette-experience-remet-elle-question-notre-realite-78402/

https://nospensees.fr/est-il-vrai-que-la-realite-nexiste-pas-jusqua-ce-quon-lobserve/

Ce qui est vrai c'est que ce que l'on appelait autrefois la réalité matérielle a profondément changé de nature :

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4047

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3115

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2932

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2865

La propriété de dualité de la particule élémentaire (se comportant à la fois comme un corpuscule et comme une onde) a été l'une des interrogations les plus difficiles de la physique quantique. L'onde et le corpuscule sont deux descriptions très opposées de la réalité et pourtant la matière comme la lumière se sont révélés être à la fois corpusculaires et ondulatoires. A la fois ne signifie pas que l'on peut effectuer en même temps une expérience qui donne les deux résultats. Par contre, dès que l'on effectue une expérience donnant un résultat du type onde, on obtient une onde. Et, à chaque fois que l'on effectue une expérience du type corpuscule, on obtient un corpuscule. De là a découlé une interprétation selon laquelle c'était l'observation par l'homme qui décidait de la nature du réel…

En fait, la dualité provient du caractère fractal de la particule. Celle-ci existe à plusieurs échelles. Si l'on mesure à une échelle, on obtient un résultat à cette échelle. On perd, du coup, le résultat trouvé à une autre échelle.

Si l'expérience effectue une mesure sur le nuage de polarisation, on obtient un résultat ondulatoire. Si on interagit avec le point matériel, on obtient un résultat corpusculaire qui prouve que l'électron est bien ponctuel et est bien un seul être. Mais cet être existe simultanément aux différents niveaux. Par contre, dès que le corpuscule est capté, dans un temps extrêmement court, le nuage disparaît. En effet, au niveau où se situent les particules virtuelles, la limite de vitesse de la lumière n'a plus cours. C'est la « réduction du paquet d'ondes » qui a tellement compliqué la vie des physiciens quantiques.
On peut interpréter ainsi l'ensemble des propriétés, souvent apparemment étranges, de la particule dite élémentaire, l'électron.

Les physiciens avaient, depuis longtemps, remarqué qu'il y avait un problème pour en comprendre la nature. Comme le relève Abraham Pais dans « Subtle is the lord », probablement la meilleure biographie d'Einstein, « Tout ce qui reste de ceci (des travaux de Abraham, Lorentz, Poincaré, Einstein,… sur l'auto-énergie de électron), c'est que nous ne comprenons toujours pas ce problème. » Certains physiciens théorisent même l'impossibilité de se le représenter Margenau (1961) : « Les électrons ne sont ni des particules, ni des ondes (…) Un électron est une abstraction, qui ne peut plus être décrite par une image intuitive correspondant à notre espérance de tous les jours mais déterminé au travers de formules mathématiques. » Mais, comme Einstein le disait à Wheeler : « Si je ne peux pas l'imaginer, je ne peux pas le comprendre. » Et Einstein affirmait : « Vous savez, il serait suffisant de réellement comprendre l'électron. » En 1991, la conférence internationale sur l'électron de Antigonish écrivait encore : « Nous sommes réunis ici pour discuter de nos connaissances actuelles sur l'électron. (…) Il est étrange de constater quelle masse énorme de technologie est fondée sur l'électron sans que nous soyons capable de comprendre cette particule. »

Ces remarques provenaient de nombreuses difficultés théoriques pour interpréter les phénomènes observés. L'interprétation qui en est donnée ici est celle du caractère fractal de l'électron. Elle explique notamment les sauts quantiques de la particule et de l'atome. Il y a un saut à chaque interaction entre niveaux de réalité de la particule. Le saut d'échelle explique le saut du phénomène. Par exemple, l'électron ne suit pas une trajectoire, mais saute d'une position à une autre. Cette discontinuité provient du fait que l'électron ne se déplace pas dans un espace continu, mais interagit avec les particules virtuelles du vide. Le « simple » déplacement est déjà le produit de ce caractère fractal. Il en va de même sur les interaction entre particules de matière, entre matière et lumière, et, plus généralement, entre matière et vide.

Quant au caractère probabiliste de la particule, si étrange que son découvreur Einstein n'arrivait à l'accepter, il n'existerait pas si on était capable d'étudier simultanément la réalité à toutes les échelles.

Le dualisme corps/esprit

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5420

Le dualisme onde/corpuscule

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article882

Le dualisme homme/univers

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3678

Le dualisme expérience/expérimentateur

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4299

Le dualisme réel/virtuel c'est-à-dire matière-lumière et vide

L'émergence du réel n'est pas un dualisme

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5131

La fin des oppositions diamétrales

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3098

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5589

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3678

« La théorie quantique des champs a donc conduit à une vision plus unifiée de la nature que l'ancienne interprétation dualiste en termes de champs et de particules. »

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article6427

Quelle solution face à l'énigme quantique dite de la « réduction du paquet d'ondes » ?

Robert Paris — 2025-03-16T23:38:00Z

Quelle solution face à l'énigme quantique dite de la « réduction du paquet d'ondes » ?

Il s'agit d'ondes qui se réduisent à… rien dès que l'on effectue une mesure dans une expérience quantique…

C'est bien sûr un phénomène étonnant si on raisonne de manière classique, ou encore de manière quantique mais sans envisager le caractère discontinu du vide quantique, peuplé de quanta dits « virtuels » parce qu'ils apparaissent et disparaissent en un temps bref et qui n'en sont pas moins réels.

Il ne s'agit pas d'ondes au sens de la physique classique mais d'ondes quantiques qui disparaissent dès que l'on capte le corpuscule correspondant de manière instantanée, ce qui est particulièrement étrange… La mesure est un saut discontinu, une disparition.

L'explication réside dans le caractère de la complémentarité onde/corpuscule qui explique que l'onde disparaisse dès qu'on capte le corpuscule.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article882

Comment se peut-il que la complémentarité onde/corpsucule se traduise par la disparition instantanée de l'onde dès qu'on capte le corpuscule par une observation. Certains auteurs répondent que c'est mystérieux et qu'on ne le saura jamais, d'autres que c'est un artefact théorique et mathématique et que cela ne doit pas provenir d'une explication physique, d'autres encore que c'est un effet de la conscience humaine, celle de l'observateur, ou encore l'affirmation que cela se produit parce que la matière n'existe que quand elle est observée et enfin les derniers disent que la Physique n'a pas à se poser de telles questions qui relèveraient seulement de la métaphysique car elles posent des questions sur l'existence des choses et pas sur leur fonctionnement. Aucune de ces réponses ne nous satisfait et nous donnons la nôtre : celle des quanta éphémères du vide dits virtuels (particules et antiparticules couplés).

Toutes ces manières de contourner le problème ne sont nullement des façons de le résoudre en se fondant sur une véritable interprétation qui soit en même temps celle de tous les autres phénomènes considérés comme « mystérieux » en physique quantique, à commencer par tous ceux liés à la dualité onde/corpuscule et au principe d'incertitude quantique.

Non seulement la réduction du paquet d'ondes ne déstabilise pas la physique quantique mais celle qui inclut l'étude du vide quantique est confirmée par elle. Il faut pour cela comprendre que ce n'est pas la particule durable qui détient une véritable réalité car cette propriété ne fait que sauter (avec le boson de Higgs) d'une particule virtuelle à une autre. Rappelons qu'une particule réelle n'est rien d'autre que la particule virtuelle dont l'énergie interne a été doublée par la réception du Higgs et que ce boson saute sans cesse d'une particule virtuelle à une autre proche, appartenant au nuage qui entoure la particule. Rappelons aussi ce nuage est formé de couples particule/antiparticule éphémères qui constituent des couches autour de la particule, couches successivement d'électricité positive et négative (ce qui explique l'écrantage de la charge de la particule).

L'incertitude quantique (dite d'Heisenberg) est un mystère lié à celui de la réduction du paquet d'ondes et aussi aux autres « mystères » quantiques comme la « dualité » onde/corpuscule , à la « probabilité de présence » de la particule, à la superposition d'états, à la non-localité et autres phénomènes purement quantiques inexplicables de manière classique mais parfaitement explicables par l'interprétation selon laquelle la particule réelle n'est rien d'autre qu'un nuage de particules virtuelles (et antiparticules) où circule un boson de Higgs qui saute d'une particule virtuelle à une autre, virtuelle ne voulant absolument pas dire imaginaire ou inexistante réellement.

Et il est vrai que ce phénomène d' « incertitude » est particulièrement étonnant. En physique classique, il n'y a pas de limite fondamentale à la précision d'une mesure et il n'y a pas contradiction entre préciser la vitesse et préciser la position, comme c'est le cas sans cesse en Physique quantique. Quand on considère que tout objet se déplace continument sur une trajectoire, il est impensable que la précision sur la vitesse soit contraire à celle sur la position. Par contre, dès lors que l'on considère la particule non comme un seul objet mais comme un nuage de particules, la propriété de particules dite réelle sautant d'un point du nuage à un autre, il est très simple de comprendre que l'observation ne peut à la fois être précise pour la vitesse (qui nécessite une observation sur un temps pas trop court) et pour la position (qui, pour être précise nésessite une observation sur un temps pas trop long puisque la propriété de particule réelle saute…).

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1710

Qu'est-ce que la « réduction du paquet d'ondes » en physique quantique ?

La réduction du paquet d'ondes est la cassure de la dynamique quantique réalisée par l'opération de mesure par un appareillage macroscopique. Cette interaction entre une particule quantique et un appareil macroscopique (donc classique) casse la dualité onde/corpuscule et donc la fonction d'onde (de Schrödinger) de la particule immédiatement après que le corpuscule soit capté. Ce phénomène a contraint les physiciens quantiques à se poser la « question de la mesure », en se demandant quelle transformation cette action de l'observateur réalisait sur la dynamique matérielle observée.

Tout d'abord remarquons qu'en physique quantique, étude de la matière/lumière au niveau microscopique, on n'a pas « un » état ou « une » onde mais une « superposition d'états » et un « paquet d'ondes ». Cela signifie que, tant qu'aucune observation ou interaction n'est réalisée, il n'y a pas une valeur de l'énergie, un état, une onde mais une dispersion, un relatif désordre. La particule, qui est à la fois onde et corpuscule, est décrite alors par l'équation de Schrödinger qui comprend différents états et différentes ondes, en superposition, sans qu'on puisse trancher sur « quel est l'état de la particule » mais seulement sur « quelle est la probabilité d'un tel état ».

Selon l'interprétation de Max Born retenue par la physique quantique, ce qui va trancher, c'est le fait d'effectuer une mesure. C'est cela « la réduction du paquet d'ondes » car, du moment que l'on aura mesuré d'une manière ou d'une autre la particule, l'équation de Schrödinger (qui décrit la fonction d'onde de la particule) sera interrompue, cassé, supprimée et une nouvelle fonction d'onde sera éventuellement créée…

La détection de la particule est donc une rupture, une discontinuité, un choc réel mais aussi un choc logique.

On montrera que ce n'est pas une limite de la connaissance humaine qui est pointée ici mais un mécanisme de fonctionnement de la matière/lumière et du vide quantique.
En effet, le caractère imprécis ou « indéterminé » de la particule, marqué par la fonction d'onde qui indique seulement une probabilité de présence de la particule, étalée dans un espace assez large ne provient pas de l'observation mais du fonctionnement quantique. L'observation et la captation de la particule a, au contraire, un caractère plus précis et même ponctuel. C'est avant détection que la particule s'étale dans l'espace…

Ce qui impressionne dans « la réduction du paquet d'ondes », c'est la rupture de continuité de la description, c'est aussi le changement brutal, instantané, et le passage d'une réalité étalée dans l'espace à une réalité ponctuelle. Cela a un petit caractère de mystère, de miracle, une odeur de soufre en somme…

Bien sûr, ceux qui veulent minimiser la difficulté feront comme si on détectait un objet que l'on pourchassait, et qui, rapidement, disparaissait à notre vue, puis était à nouveau capté, et ainsi de suite jusqu'à être définitivement attrapé, n'étant plus dès lors cet objet inattrappable et insaisissable autrement que par une « probabilité de présence ».

Cette image est rassurante mais elle ne convient nullement. Tout d'abord parce que ce que nous avons cherché à capter n'est pas un objet « corpuscule » mais réellement un mixte de corpuscule et d'une espèce d'onde, le corpuscule et l'onde n'étant pas tout à fait ce qu'on imaginait d'un corpuscule ni d'une onde.

On voit bien, notamment dans l'expérience des fentes de Young, que la réalité qui passe dans les deux fentes proches puis parvient à l'écran est un mixage d'onde et de corpuscule. Il y a les interférences (ondulatoires) et les impacts sur l'écran (corpusculaires).

On remarque également que la « réalité quantique » a des particularités qu'aucun objet, que l'on aurait seulement du mal à détecter, ne pourrait avoir. Par exemple, l'effet tunnel montre que la fonction d'onde peut traverser des obstacles, des barrières, infranchissables pour un objet.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4690

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article5606

L'expérience des fentes de Young peut être interprétée correctement par le vide quantique qui entoure la particule dite réelle d'un nuage de particules et d'antiparticules dits virtuels.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4271

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4287

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4339

En mécanique quantique, la dualité onde-particule est expliquée comme ceci : tout système quantique et donc toute particule sont décrits par une fonction d'onde qui code la densité de probabilité de toute variable mesurable (nommées aussi observable). La position d'une particule est un exemple d'une de ces variables. Donc, avant qu'une observation soit faite, la position de la particule est décrite en termes d'ondes de probabilité.

Les deux fentes de Young peuvent être considérées comme deux sources secondaires pour ces ondes de probabilité : les deux ondes se propagent à partir de celles-ci et interfèrent.
Sur la plaque photographique, il se produit ce que l'on appelle une réduction du paquet d'onde, ou une décohérence de la fonction d'onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d'onde : élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d'autres (franges sombres).

Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique. Jusqu'à ce qu'une observation soit faite, la position d'une particule est décrite en termes d'ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article882

Comment se fait-il qu'au lieu de donner une présence des particules de matière et de lumière, la physique donne seulement leur « probabilité de présence » ?

Tout d'abord, il faut voir que les quanta qui fondent la matière comme la lumière sont éphémères, se présentent sous la forme de couples particule-antiparticule qui se désintègrent rapidement. Ceux-là, l'observation est incapable de les détecter directement du fait de ce caractère éphémère. Par contre, ces particules éphémères sont celles qui, lorsqu'elles vont recevoir le boson de Higgs, vont devenir, de manière elle aussi fugitive, des particules dites « élémentaires » ou « réelles ». La présence des particules virtuelles est donc synonyme de la probabilité de présence des particules réelles…
On ne détecte donc pas les particules virtuelles mais seulement leur mouvement d'ensemble, improprement appelé « onde de probabilité de présence »

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article1688

La fonction d'onde, notée psy, est un nombre complexe fonction de la position et du temps. Son interprétation ne peut pas être "réaliste" mais seulement d'une probabilité de matérialisation, comme Max Born l'a montré, puisque c'est la mesure qui crée l'interaction (constituant "l'effondrement de la fonction d'onde" ou une "réduction du paquet d'onde", passage de la probabilité au fait). On additionne des "amplitudes" dont le carré (|Y|2) donnera la probabilité de mesure. "Une amplitude de probabilité est un nombre complexe, défini par une partie réelle et une partie imaginaire, ou par un module et une phase, dont le carré du module est une probabilité, c'est-à-dire un nombre réel compris entre zéro et un qui donne la probabilité de position" Gilles Cohen-Tannoudji). La fonction d'onde pourrait se déduire du principe de moindre action….

En l'absence de tout observateur, un vecteur d'état est soumis à une loi d'évolution définie par l'équation de Schrödinger. Cette dernière permet de tenir compte de l'influence que peut subir une particule ou un système, de prévoir les effets d'interactions entre entités microscopiques, etc. Malgré la forme mathématique très particulière qu'elle revêt, cette partie du formalisme quantique est presque aussi bien maîtrisée que toute autre loi d'évolution en physique. Le problème apparaît avec le principe de réduction du paquet d'ondes. Comme nous l'avons vu, un vecteur d'état, sauf cas particuliers, est un état superposé qui définit des probabilités d'observation, c'est-à-dire que pour une observable, chacune de ses valeurs propres est associée à une probabilité comprise entre 0 et 1. Cependant, lorsque le système sera effectivement mesuré, une seule valeur précise pour cette observable sera obtenue. Outre l'aléatoire qui caractérise cette détermination et sur lequel nous reviendrons, nous avons vu que l'impossibilité de la contrafactualité en physique quantique nous interdit d'en conclure que l'observable avait bien cette valeur avant qu'un instrument de mesure rentre en interaction avec lui. Au contraire, la théorie quantique conventionnelle, qui ne définit un système que par le formalisme du vecteur d'état car seul celui-ci s'avère efficace, ne peut tenir compte d'une opération de mesure que par une modification soudaine du vecteur d'état, qui cesse d'être dans un état superposé, et au cours de laquelle toutes les valeurs propres de l'observable tombent à 0, sauf une qui prend la valeur 1. Tout le problème réside dans le fait qu'une telle modification du vecteur d'état ne semble pas du tout être prévisible au moyen de l'équation de Schrödinger….

Non seulement il est particulièrement gênant en physique que deux principes d'évolution soient nécessaires pour rendre compte de l'influence que peut subir un système, mais cela pose un grave problème épistémologique que la séparation entre les champs d'application de ces deux principes soit aussi floue. En effet le premier principe définit l'évolution 'normale'' du système tandis que le second s'applique spécifiquement à toute opération de mesure. Celle-ci se trouve alors dans en position d'exception et il est nécessaire d'établir une définition précise de ce qu'est une opération de mesure, un instrument de mesure et un observateur. C'est un problème qui a fait couler beaucoup d'encre et il semble impossible d'obtenir une solution qui ne soit pas fortement dualiste ou complètement anthropocentrique. Si les plus positivistes des physiciens peuvent être prêts à faire ce type de concessions, les scientifiques qui ont foi en une réalité indépendante de nous ne peuvent que difficilement s'y résigner. Il y a cependant un moyen de réunifier ces deux principes d'évolution pour ne garder que celui de l'équation de Schrödinger. Comme, après tout, l'instrument de mesure comme l'observateur lui-même sont effectivement composés de molécules, d'atomes et donc de particules, il est complètement envisageable de faire intervenir dans les calculs ces entités macroscopiques comme des systèmes quantiques composés d'un grand nombre de particules. L'observateur et son instrument de mesure peuvent donc en théorie être définis comme un système S ayant un vecteur d'état qui est un état enchevêtré de toutes leurs particules. Aussi, lors d'une opération de mesure effectuée sur le système étudié E, les système S et E entrant en interaction doivent par la suite composer un grand système G décrit par un seul vecteur d'état qui est l'enchevêtrement de toutes les particules de l'observateur, de l'instrument de mesure et de la préparation expérimentale. Le premier problème qui se pose alors est que dans ce grand système G, puisqu'il est dans un état enchevêtré inséparable, il n'est plus possible d'établir une distinction rigoureuse entre l'observateur, l'instrument de mesure et le système étudié et cela nous interdit de déterminer ce qui, des résultats de l'expérience, revient en propre à chaque élément. Ce point est l'autre fondement de la contextualité de la physique quantique et explique que celle-ci ait le plus grand mal à fournir un discours sur la nature des choses indépendamment de nous. Le second problème est qu'un tel état enchevêtré est également à coup sûr un état superposé. Comme seule la réduction du paquet d'ondes pouvait rendre compte du fait qu'un tel état doit soudainement changer pour prendre une valeur définie, avoir expulsé ce principe nous ferme cette possibilité. Nous devons donc par exemple considérer que, pas plus que la particule, ni l'observateur ni l'instrument de mesure n'ont de position bien définie. Apparaît un problème récurrent de la physique quantique et que nous avons déjà évoqué : comment faire le lien entre les lois du monde macroscopique et celles radicalement hétérogènes du monde microscopique sachant que les deux théories sont confirmées expérimentalement mais que la seconde est censée décrire le détail des éléments de la première ? Pour illustrer ce point Schrödinger avait fourni un célèbre paradoxe qu'il est intéressant de résumer ici. Il suffit d'imaginer une particule qui est dans l'état superposé des deux états possibles A et B. Un dispositif qu'il n'est pas nécessaire de décrire a pour conséquence d'émettre un gaz mortel si la particule est dans l'état A. Accompagné d'un chat, tout cela est placé dans une boîte fermée afin d'éviter toute observation pour que l'état en question reste superposé. Un raisonnement identique à celui du paragraphe précédent doit nous faire conclure que puisque la particule est à la fois en A et en B le chat doit à la fois être mort et vivant. Il ne devrait connaître un état défini que lorsque nous ouvrirons la boîte et réduirons le paquet d'ondes. La question se pose alors de savoir d'un côté, si les lois quantiques sont ainsi transposables aux entités macroscopiques, et de l'autre, puisque la conscience semble jouer un rôle clé dans la réduction du paquet d'ondes, si l'observation que le chat effectue spontanément de son propre état peut suffire. Dans tous les cas le principe de réduction du paquet d'ondes semble difficile à mettre de côté. Une célèbre théorie, communément admise dans la communauté des physiciens, a souvent été proposée comme solution au problème de la mesure, il s'agit de la décohérence. Celle-ci montre que l'état de superposition d'un système quantique est lié à sa cohérence interne. Là encore nous ne rentrons pas dans les détails mathématiques d'une telle théorie mais il faut juste noter qu'elle consiste à prendre en compte, outre celle de l'instrument de mesure, l'influence de l'environnement. Si dans un dispositif expérimental de quelques particules il est possible d'isoler le système de l'environnement extérieur, pour des raisons physiques liées à leur niveau d'énergie et à la constante de Planck, il est impossible d'isoler les systèmes macroscopiques de la sorte. Seul un système isolé peut être dit cohérent tandis que l'effet qui se manifeste quand on augmente d'échelle est justement la décohérence. Celle-ci a pour conséquence d'approcher toutes les valeurs propres d'une observable aussi proche de 0 qu'on le veut, sauf une qui par conséquent s'approche de 1 de la même manière. Ainsi, pour les systèmes macroscopiques, l'influence de l'environnement a pour conséquence de limiter les états de superposition car en pratique la valeur propre majorée peut être considérée comme égale à 1 et les autres à 0. Ainsi on tend à expliquer pourquoi les objets macroscopiques nous apparaissent comme ayant une position et une trajectoire bien définies. Mais, en toute rigueur, l'état de l'objet reste superposé et aucune de ses valeurs propres n'a une probabilité d'être observée de 1. Donc, pour expliquer qu'au moment d'une mesure c'est bien telle ou telle valeur qui est observée, il est nécessaire de réintroduire le principe de réduction du paquet d'ondes. La décohérence est une théorie confirmée par l'expérience qui a le grand mérite de nous aider à mieux comprendre le comportement quantique des entités macroscopiques, mais rigoureusement elle ne résout pas cet épineux problème que pose l'opération de mesure en physique quantique.

Incertitude et indétermination Si nous avons attribué à Dirac la reformulation en termes probabilistes de l'équation de Schrödinger, pour être juste il nous faut préciser que l'on doit à Max Born la première interprétation de cette équation comme définissant des probabilités d'observation. Cette interprétation eut le mérite de résoudre les problèmes que posait la représentation purement ondulatoire de Schrödinger mais introduisit une incertitude et une indétermination gênante dans la physique quantique. Une telle équation, déterministe concernant une onde, ne peut nous décrire une trajectoire et même très difficilement une position, seules des probabilités concernant les résultats de mesure peuvent être obtenues avec elle. Il faut noter qu'il ne s'agit pas là d'une simple incertitude comme on pourrait la constater dans d'autres domaines, où l'imperfection de nos instruments nous empêche de mesurer avec suffisamment de précision les grandeurs nécessaires à une prévision, comme Born l'affirmait, nous ne disposons pas de telles grandeurs dont la connaissance gommerait l'incertitude en question. Cette indétermination qui fait que seulement dans de rares cas il est possible de prédire réellement, c'est-à-dire avec une probabilité de 1, la valeur d'une variable est une conséquence directe de la structure mathématique du formalisme quantique. Nous avons déjà rapidement remarqué qu'en raison de cette originalité du formalisme de l'espace de Hilbert, certains observables, n'étant pas compatibles mathématiquement, ne le sont pas non plus expérimentalement. On doit à Werner Heisenberg d'avoir prouvé ce point grâce à ses relations d'incertitude (ou d'indétermination). Ainsi la position et la quantité de mouvement d'une particule ne peuvent être simultanément mesurées, pas plus que l'énergie d'un système et sa durée, du moins la précision de la mesure d'un des éléments entraîne inéluctablement l'imprécision du second. Plus généralement, s'il est possible, lors de préparations expérimentales ne prenant en compte qu'une seule variable, de déterminer, une fois une expérience effectuée, le résultat de tout autre expérience identique que l'on pourra tenter ultérieurement, dés qu'à un vecteur d'état sont associées plusieurs variables conjuguées (plusieurs observables sur une même particule ou plusieurs particules corrélées), seules des probabilités d'observation pourront être calculées. Si Born était plus circonspect, Heisenberg n'hésitait pas à affirmer que « la mécanique quantique établit l'échec final de la causalité ». Cette conclusion a cependant subi de nombreuses et pertinentes critiques, notamment il peut être remarqué que dans une formulation classique de la causalité : lorsque l'on connaît suffisamment les conditions, on peut en déterminer les conséquences, seule la prémisse est remise en cause par le formalisme quantique, pas la conclusion. En effet, définie ainsi sur la prévisibilité des phénomènes, le principe de causalité n'est pas proprement remis en cause par la microphysique, il est seulement rendu inapplicable. La question de savoir s'il est inapplicable pour des raisons contingentes liées aux limites de nos facultés cognitives et/ou à des attributs des choses en elles-mêmes reste encore de nos jours un sujet de controverse sur lequel nous aurons l'occasion de revenir. Toutefois, si l'on peut remarquer qu'un certain indéterminisme règne sur le fonctionnement des entités à l'échelle atomique, cela n'évacue par toute forme de déterminisme de la théorie quantique. Si en général elle n'est pas en mesure de prédire rigoureusement l'évolution d'un système particulier, concernant des ensembles statistiques, elle permet d'obtenir des prédictions ayant le même degré de précision que ce qu'il est possible d'obtenir concernant des systèmes physiques classiques. Alors que des variables conjuguées comme la vitesse et la position d'une particule ne semblent pas satisfaire aux conditions établies par le formalisme pour obtenir des prévisions au sens strict, les distributions statistiques de telles variables peuvent être prédites à l'aide d'un vecteur d'état avec le même degré de certitude que dans la plupart des expériences scientifiques. Le principe de succession selon une règle, essentielle à toute démarche scientifique, peut donc être conservé dans la mécanique quantique conventionnelle à condition que l'on ne recherche plus des règles déterministes concernant des corpuscules, mais concernant des ensembles statistiques. Cela pose de nouveau la question de savoir s'il est toujours nécessaire de conserver de telles notions corpusculaires ainsi qu'une nouvelle interrogation concernant la réalité qu'il faut attribuer à de tels ensembles statistiques. L'article EPR et les inégalités de Bell L'article fourni en 1935 par Einstein, Podolsky et Rosen, souvent qualifié de manière abusive de paradoxe EPR, est sûrement le texte le plus cité de toute la littérature scientifique. Il faut dire que sa formulation profondément réaliste mais d'une structure logique difficilement contestable eut l'audace de s'attaquer à une hypothèse généralement admise à ce moment là parmi les physiciens quantiques, l'hypothèse de complétude. Cette dernière affirme tout simplement que la théorie quantique, puisque n'ayant jamais (même de nos jours) été remise en cause par une quelconque expérience, doit constituer une description adéquate de la réalité. Cette hypothèse, d'inspiration fortement positiviste, n'est cependant absolument pas nécessaire à l'efficacité opératoire de la théorie quantique. Le texte EPR mérite davantage d'être appelé théorème EPR car il en a bien plus la structure logique et cette appellation correspond d'ailleurs mieux au réel dessein de ses auteurs. L'article est donc composé de prémisses et d'une conclusion et, s'il use d'un exemple particulier exprimé dans le formalisme quantique, le théorème EPR ressemble plus à un raisonnement philosophique et épistémologique qu'à un traité de physique. Ses prémisses sont d'une grande simplicité et d'une évidence certaine quoiqu'en partie appuyées sur le sens commun. Il est possible de les résumer en deux principes. Le premier, qui a été appelé localité ou séparabilité einsteinienne bien qu'il ait également été baptisé autrement en d'autres occasions, est fortement inspiré de la théorie de la Relativité et suppose juste que, si deux régions de l'espace sont suffisamment éloignées, puisque aucune influence plus rapide que la lumière n'est admise, les évènements qui se déroulent dans l'une sont complètement indépendants de ce qui se passe dans l'autre. Le second principe, dit critère de réalité, spécifie que si l'on peut prédire avec certitude la valeur d'une grandeur physique, c'est qu'un élément de réalité physique doit y correspondre. On peut d'ores et déjà constater comment ces deux principes ne sont guère difficiles à admettre et peuvent aisément faire l'unanimité sauf chez les plus idéalistes des épistémologues. L'exemple utilisé dans l'article EPR pour son raisonnement peut être remplacé par l'exemple standard que David Bohm proposa dans la même lignée et qui est d'une bien plus grande généralité. Il consiste à mettre en jeu une paire de particules corrélées, c'est-à-dire deux particules ayant un vecteur d'état commun et générées de sorte que l'une de leurs observables ait toujours une somme commune ; si l'une a une valeur de 1 l'autre doit avoir une valeur de -1. Ces deux particules sont ensuite projetées dans deux régions de l'espace assez éloignées pour que s'applique la séparabilité einsteinienne. Les règles de la mécanique quantique prévoient alors qu'en observant cette observable sur l'une de ces particules on connaisse sa valeur mais également celle de l'autre particule. Pour l'instant rien ne semble particulièrement problématique mais puisque l'on ne doit pas admettre la contrafactualité, cet exemple, avéré expérimentalement, signifie que observer l'une des deux particules réduit le paquet d'ondes, modifie le vecteur d'état commun et détermine les valeurs des deux particules. Si l'on admet à la fois l'hypothèse de complétude et le critère de réalité, il faut en déduire qu'un élément de réalité physique doit correspondre à chacune de ces deux valeurs, donc à chacune des deux particules, et que l'opération de mesure, non seulement influence la particule observée, mais également celle située dans une région de l'espace séparée. Autrement dit l'hypothèse de complétude, la localité et le critère de réalité ne peuvent tout trois être admis en même temps. C'est ainsi que EPR tenta de prouver l'incomplétude de la physique quantique et ouvrit la voie aux théories à variables supplémentaires que nous aborderons ultérieurement. Bien après que l'article EPR ait fait couler beaucoup d'encre, c'est John Bell qui démontra en 1964 une batterie de trois théorèmes qui fournit réellement de quoi progresser sur cette question. Ces trois théorèmes possèdent la même structure, ils posent chacun une série de prémisses à partir desquelles il est possible de déduire des inégalités dont on peut montrer qu'elles sont violées par des prédictions vérifiées de la mécanique quantique. Ainsi il est possible d'en apprendre beaucoup car ces prémisses ne peuvent alors pas être conservées ensembles. Le raisonnement de Bell se place dans la même lignée que le théorème EPR, philosophiquement en se fixant un but similaire -prouver l'incomplétude de la mécanique quantique- et méthodologiquement en adoptant une structure logique sensiblement similaire. Il a été perfectionné à plusieurs reprises et dans plusieurs sens par d'autres auteurs de sorte que désormais, si son interprétation est l'objet de discussion, sa validité logique fait l'unanimité. Les théorèmes de Bell posent les mêmes prémisses que celles d'Einstein, localité et réalité, ainsi que d'autres toutes aussi simples comme le libre choix de la mesure par l'expérimentateur et la validité du raisonnement par induction. Par des raisonnements par l'absurde du même type que celui de l'article EPR mais bien trop complexes pour être rapportés ici, les inégalités de Bell montrent essentiellement que la mécanique quantique, comme toute autre théorie visant à reproduire les mêmes prévisions, doit soit abandonner le critère de réalité soit la localité. En effet, puisque le formalisme quantique est non-local dans tous ses outils épistémiques, on peut considérer que celui-ci a une validité strictement opératoire et ne nous informe absolument en rien sur la nature d'une quelconque réalité fondamentale, dans ce cas on est encore en droit de supposer que cette dernière pourrait être purement locale. Sinon, si l'on veut affirmer que le formalisme quantique correspond, ne serait-ce que partiellement, à des éléments de réalité, il faut admettre que cette réalité doit être non-locale, c'est-à-dire que sont possibles des influences instantanées entre des éléments de deux régions séparées de l'espace-temps. Ce point est d'une importance capitale pour la compréhension de notre monde et/ou de la nature de notre connaissance des choses, et il sera d'un grand usage pour la suite de notre étude et notamment lors de l'analyse des diverses interprétations du formalisme quantique. Pour le moment il est déjà possible de constater comment le fait d'adopter une vision positiviste ou réaliste en physique quantique a une importance dans la structure logique de la théorie alors que, dans n'importe quel autre domaine scientifique, il ne s'agit que de points de vue philosophiques qu'il n'est pas nécessaire d'introduire dans les débats strictement scientifiques.

Les théories à variables supplémentaires Il est impossible de fournir ici la moindre description exhaustive de toutes les théories de ce type qui ont pu être proposées, c'est pourquoi nous nous contentons d'une rapide description structurelle et d'un bref et incomplet historique de l'apparition de ces théories. C'est à partir du résultat de l'article EPR que les partisans, comme Einstein, de l'incomplétude de la mécanique quantique tentèrent de construire une théorie qui devait dépasser, en l'intégrant, la théorie actuelle pour proposer les mêmes prédictions tout en rendant compte de manière plus cohérente du monde. Toutes ces tentatives sont classées comme théories à variables cachées, quoique beaucoup d'auteurs préfèrent parler de théories à variables supplémentaires car si la première formulation est consacrée par l'usage, la seconde est moins trompeuse et plus exhaustive. Bell étant de ces physiciens soucieux de retrouver une description du monde plus proche de ce que peut nous procurer notre intuition, c'est en travaillant à ce projet qu'il découvrit ses inégalités. Ces dernières posent d'ailleurs un cadre essentiel à toute entreprise de ce type, mais un cadre très restrictif comme nous l'avons vu car il y est établi qu'une théorie destinée à reproduire les prévisions de la mécanique quantique tout en revendiquant une description complète de la réalité doit contrevenir à la localité. C'est en effet en tentant de contourner ce point que ces théories furent considérées comme introduisant des variables cachées. Car la localité au sens de la Relativité n'interdit pas tout à fait toute forme d'influence plus rapide que la lumière mais seulement tous les transferts de signaux plus rapides que la lumière ; ce qui limite toutefois grandement le type d'influence non-locale permis. Le seul moyen alors de réconcilier une théorie ayant ce genre de visées ontologiques avec la théorie de la Relativité est de supposer que les influences à distance qui y sont possibles doivent correspondre à des variables qui nous sont complètement inaccessibles. Cependant nombre d'autres théories à variables supplémentaires introduisent pour d'autres raisons des variables qui n'ont rien de caché, ce qui explique le choix de la présente formulation. Si elles sont regroupées dans la même école de pensée, c'est que ces théories présentent un certains nombre de similitudes structurelles et conceptuelles. Elles ont toutes le même objectif : réinterpréter le formalisme quantique pour lui donner une signification ontologique. En d'autres termes, il s'agit de construire une théorie mathématiquement équivalente au formalisme conventionnel mais qui a prétention à décrire le réel tel qu'il est en soi, c'est-à-dire en définissant la nature des objets étudiés, le statut des particules et des opérateurs mathématiques, etc. En général d'une construction plus complexe que la théorie orthodoxe, ces alternatives réutilisent tout son bagage mathématique permettant la prédiction des phénomènes, substituent les termes du formalisme pour lui donner du sens et introduisent de nouveaux outils afin de gérer les variables ajoutées. Si l'engouement pour les théories à variables supplémentaires correspond plus ou moins à l'article EPR, on peut remarquer que la première construction de ce type fut la théorie de l'onde pilote que de Broglie proposa dans les années vingt, avant même que s'établisse le point de vue conventionnel en physique quantique que nous avons évoqué et que ces théories doivent remplacer. Bohm repris cette théorie à la suite de l'article EPR dans la perspective einsteinienne de compléter la physique quantique et Bell entreprit la synthèse et l'actualisation des travaux des deux physiciens dans une même optique. On peut sans trop de risque affirmer que la théorie de l'onde pilote, ainsi augmentée et raffinée, est l'archétype d'une théorie à variables cachées et nous permet d'en donner un bon exemple. Cette théorie consiste à supposer l'existence d'une fonction d'onde de l'Univers qui piloterait toutes les particules de l'Univers. Chacune d'entre elles possède alors position, vitesse et donc trajectoire, ce qui nous réconcilie avec des conceptions familières. Les particules sont alors des existences fondamentales qui possèdent une persistance ontologique, de même que cette fonction d'onde qui définit le potentiel quantique tout aussi réel de chaque particule. C'est ce potentiel, comparable à un champs de force et donc lui aussi susceptible d'une compréhension relativement intuitive, qui détermine les particules à parfois adopter un comportement si particulier, comme les franges d'interférence dans l'expérience de Davisson et Germer. Ce qui provoque alors les nombreux problèmes épistémologiques que nous avons remarqués, c'est le fait déjà constaté qu'une fonction d'onde ou un vecteur d'état décrivant plusieurs particules enchevêtrées n'est pas la somme ou le produit des vecteurs d'état de toutes ces particules. Comme nous ne pouvons connaître et quantifier en détail le vecteur d'état du système qu'est l'Univers, nous en sommes réduit à ne considérer que des sous-systèmes de celui-ci et leurs vecteurs d'état respectifs qui ne contiennent par conséquent pas toutes les informations permettant de décrire le comportement des particules qui y évoluent. De même l'influence de l'observateur que l'on peut considérer concernant le problème de la mesure se résout par le fait que nous aussi, observateurs, nous sommes composés de particules pilotées par la fonction d'onde de l'Univers et donc enchevêtrées avec toutes les autres. A l'instar de la théorie de l'onde pilote, on peut en général remarquer que les théories à variables supplémentaires, pour donner une interprétation ontologique à la physique quantique, réaménagent son formalisme pour réintroduire, sauvegarder ou renforcer des concepts classiques qui avaient étés plus ou moins abandonnés et notamment des conceptions corpusculaires. C'est par là même que de telles théories présentent un intérêt et un attrait certain, elles ont l'avantage d'offrir une description du monde quantique qui satisfasse à la grille de lecture classique avec laquelle nous avons tendance à raisonner. Nous allons maintenant voir qu'elles ont à faire face à un certain nombre de difficultés qui ne peuvent être négligées. Les difficultés Outre les théories à variables supplémentaires qui doivent être abandonnées car des erreurs mathématiques et logiques ont pu être décelées dans leur formulation, des difficultés très particulières d'ordre épistémologique et conceptuel sont communes à toutes les théories de ce type qui présentent pourtant une validité incontestée sur le plan logique. Premièrement il nous faut rappeler le commerce très spécial que doit entretenir toute théorie à variables supplémentaires avec la Relativité en raison des inégalités de Bell. Même s'il est possible de trouver des astuces structurelles qui permettent de réconcilier les deux par une légère modification du formalisme quantique ou de la Relativité, il demeure qu'en poursuivant son objectif de proposer une alternative à la mécanique quantique conventionnelle à l'aide de conceptions classiques, toute théorie à variables supplémentaire doit introduire une non-localité fortement contre intuitive. Aussi, si en effet une théorie à variables cachées permet une description plus intuitive des évènements du monde microscopique dans des cas simples ou des exemples types, l'équivalence avec le formalisme orthodoxe à laquelle ces théories doivent souscrire leur fait perdre toute cette simplicité dans des cas plus complexes, notamment lorsque augmente le nombre de dimensions de l'espace abstrait dans lequel évoluent les vecteurs d'état. On est donc en droit de penser que la cohérence que semble présenter ce type de théories pour rendre compte du monde quantique ne tient qu'à une efficacité pédagogique. La simplicité basée sur l'usage de termes classiques comme ceux de corps, position et vitesse dont ces théories peuvent faire preuve pour expliquer le comportement d'une particule se dissout progressivement lorsque le cas considéré se complexifie. De telles théories à variables supplémentaires présentent également une difficulté liée au fait même qu'elles aient pour but de fixer la nature fondamentale des existants du monde quantique, difficulté qu'elles partagent avec d'autres travaux théoriques à visée ontologique dans d'autres domaines scientifiques. En effet, une fois que la théorie a déterminé et décrit les éléments de réalités qui correspondent aux phénomènes quantiques, une rigidité a été introduite qui peut poser un certain nombre de problèmes conceptuels dés que de nouvelles données expérimentales sont apportées. De nouvelles avancées scientifiques peuvent alors sonner le glas d'une théorie à variables supplémentaires comme la théorie de Relativité remit en cause l'existence (mais pas l'efficacité) des champs de gravité newtoniens car le type d'existants fondamentaux qui avait été postulé se trouve impossible à conserver dans la nouvelle théorie. Ainsi, si la théorie conventionnelle, essentiellement opératoire, se garde de ce type de problèmes car elle s'abstient de se prononcer sur la nature des objets étudiés, une théorie qui a prétention à décrire la réalité fondamentale ne peut qu'avoir une postérité bien incertaine. Un problème bien plus radical et plus spécifique à la physique quantique caractérise toutes les théories à variables supplémentaires qui ont pu être construite. Si toutes ces théories, pourvu qu'elles soient correctement construites, reproduisent toutes les prédictions permises par la mécanique quantique, aucune n'a jamais fourni une prédiction vérifiée qui ne puisse être fournie par la théorie quantique conventionnelle. Autrement dit aucune n'a pu fournir la moindre preuve expérimentale de sa supériorité sur le modèle orthodoxe. D'autant plus que les théories à variables supplémentaires, puisque d'une construction mathématique plus complexe, ont toujours plus de mal à assimiler de nouvelles données fournies par l'expérience. Par conséquent ces théories ne peuvent avancer que leur clarté conceptuelle et leur efficacité pédagogique pour soutenir leur supériorité. Cela est particulièrement symptomatique si l'on considère que parmi les multiples modèles à variables supplémentaires qui ont pu être proposés et qui présentent chacun une parfaite cohérence interne, aucun n'a pu présenter d'argument décisif pour montrer sa supériorité sur les autres. Ainsi, même le physicien soucieux d'adhérer à une théorie décrivant le réel fondamentalement aurait bien du mal à discriminer parmi tous les modèles disponibles. Nous ne pouvons donc en toute rigueur, c'est-à-dire uniquement sur la base d'arguments rationnels, adhérer à aucune de ces théories à variables supplémentaires. Mais, à la suite de Bernard d'Espagnat, nous pouvons tout de même considérer ces modèles comme de bons « laboratoires théoriques » permettant de mieux analyser les enjeux ontologiques et épistémologiques que présente le formalisme quantique. Comme exemple ou contre-exemple, de telles constructions, visant à décrire avec un maximum d'objectivité le monde quantique, permettent d'éviter certaines conclusions et généralisations hâtives à partir de données expérimentales qui pourraient être interprétées de diverses manières.

Quel que soit l'objectif du physicien, qu'il ait une véritable volonté théorique visant à décrire les choses en soi ou qu'il se cantonne à un travail opératoire et à l'établissement de règles de prédiction efficaces, certaines questions d'ordre ontologique ne peuvent être ignorées car elles doivent inévitablement se poser au scientifique qu'il soit d'inspiration plutôt réaliste ou plutôt positiviste. Ainsi la question de savoir si le concept de corps matériel doit être conservé en physique quantique est inévitablement posée car quelle que soit l'obédience du discours, il fait invariablement référence à des objets précis dont la nature doit, à un moment ou à un autre, être traitée. Même si l'on estime que la nature des objets étudiés en physique quantique ne peut être fixée, on a d'ores et déjà admis que le concept de corps matériel n'y a plus l'évidence qu'il revêt dans la physique classique. Pour reprendre le propos de l'épistémologue Michel Bitbol, en toute rigueur il n'est pas possible de retrouver en physique quantique le type d'invariants dont l'on dispose en physique classique comme dans la vie courante et qui nous permettent de faire usage en toute légitimité du concept de corps matériel. Si l'on définit comme lui un corps matériel comme « un secteur d'espace tridimensionnel objectivé par la détermination d'effets locaux invariants sous un ensemble de changements réglés », ni une localisation précise ni aucun effet particulier ne nous sont disponibles pour justifier l'usage en mécanique quantique d'une telle notion corpusculaire. De même, quelle que soit la théorie de la référence utilisée, les conditions nécessaires à une objectivation ne sont pas réunis, que ce soit des procédures de suivi ou des modalités trans-temporelles de réidentification. Mais les pères fondateurs de la microphysique ne s'y sont pas trompés en faisant preuve d'une grande prudence, dés la naissance de la physique quantique, quand à la nature des entités étudiées. Ainsi Schrödinger abandonna très tôt le concept de corpuscules dés lors qu'il n'était plus possible d'avoir de position et de trajectoire clairement définies. Ce sera Bohr qui ira le plus loin en affirmant que l'on est réduit à décrire des dispositifs et des résultats expérimentaux et que les hypothétiques propriétés de corps existant indépendamment de toute observation nous sont inaccessibles et n'ont même aucun sens. Cependant, malgré son caractère particulièrement opératoire, la théorie quantique, dans sa formulation orthodoxe, n'est pas exempte de considérations corpusculaires. Il y est constamment fait référence à des particules mais dont on n'exige pas que leur description réunisse tous les éléments nécessaires à une objectivation rigoureuse du type de celle d'un corps matériel et dont on ne s'attend pas à ce qu'elles reproduisent tous les comportements généralement associés à une entité corpusculaire. Ainsi une particule possède une position et une vitesse bien définies, mais uniquement lors d'une mesure et jamais simultanément. Cet usage d'une notion très proche de l'idée d'un corps matériel mais qui n'en présente que peu de caractéristiques est symptomatique, non seulement du flou qui caractérise les objets étudiés dans la physique quantique conventionnelle, mais également de l'impossibilité d'y utiliser le concept intuitif de corps matériel dont nous disposons. En général les théories à variables supplémentaires s'attachent à restaurer pleinement toutes les conditions nécessaires à l'usage d'un tel concept. Cependant cela se paye d'un coût épistémologique très lourd car, outre la non-localité qui doit être admise, des variables inobservables empiriquement doivent être acceptées pour que l'on puisse continuer à parler des particules comme de petits corps matériels disposant en permanence d'une position, d'une vitesse, d'une trajectoire, etc. Cela se rajoute aux difficultés que nous avons traitées précédemment et nuit grandement à leur crédibilité car c'est par des invariants qui ne correspondent à aucune donnée observable, donc à aucune modalité référentielle, qu'une stabilité suffisante est trouvée pour redonner du sens au concept de corps matériel. Pourtant, dans nombre d'expériences, il est possible d'effectuer des observations enchaînées ou des détections coordonnées de sortes que l'on puisse constater des impressions de trajectoire concernant une particule, mais, en raison des relations d'incertitude d'Heisenberg, seule l'introduction de données supplémentaires non-empiriques permettent d'en conclure logiquement à la présence localisée, même en l'absence de mesure, de la particule en chacun des moments de la trajectoire. Cette survie artificielle de notions corpusculaires inutiles au formalisme, pour son efficacité prédictive, peut alors rapidement passer pour une simple astuce conceptuelle, voire un vulgaire réflexe défensif, de la part des ultimes partisans de la réalité fondamentale des corps matériels. Nous avons cependant déjà remarqué que même si l'on n'admet aucune théorie à variables supplémentaires, il est possible de leur trouver une grande utilité épistémologique. Quoiqu'il en soit, même un modèle à variables cachées est obligé d'admettre le comportement souvent fort contre intuitif des particules et la présence d'autres entités réelles et non corpusculaire comme des potentiels ou champs quantiques pour rendre compte de ces bizarreries. Il arrive que les interprétations de la théorie quantique dites statistiques ou stochastiques soient présentées comme résolvant la question de la nature des entités du monde microscopique. Une telle interprétation part du fait que le formalisme du vecteur d'état et de l'espace de Hilbert est une description complète et adéquate d'ensembles statistiques de systèmes physiques. La parfaite prédictibilité dont fait preuve le formalisme quantique au sujet de distributions statistiques suscite en effet l'unanimité, pourtant diverses interprétations basées sur cette certitude sont envisageables. Ainsi on ne peut considérer ni les vecteurs d'état ni les ensembles statistiques comme réels tout en leur restituant la complète validité opératoire qui leur est due, ou considérer le formalisme quantique comme une description complète et adéquate de la réalité à condition que ces ensembles statistiques constituent des entités réelles. Dans le cadre de la première hypothèse il est alors possible, dans une optique réaliste, de construire sur cette base une théorie à variables supplémentaires qui assigne à chaque système individuel toutes les propriétés d'un corps matériel en considérant qu'ils ne sont pas soumis individuellement aux étrangetés de ce formalisme. Mais il est également acceptable, sur la même base, de tenir un discours d'inspiration positiviste où cette seule efficacité opératoire est considérée comme suffisante et où le concept de corps matériel n'est plus alors nécessaire. La seconde hypothèse, si elle n'établit pas quelle est la nature des entités qui composent les ensembles statistiques, a cependant le mérite de sauvegarder le déterminisme, car s'il ne s'applique pas aux systèmes individuels, il reste complètement opérant au sujet de ces ensembles. Il faut tout de même remarquer qu'une interprétation positiviste qui ne se prononce pas sur la nature des entités individuelles, contrairement à une théorie stochastique à variables supplémentaires, reste condamnée à invoquer le principe de réduction du paquet d'ondes pour rendre compte qu'à chaque mesure on observe sur chaque système individuel des valeurs bien définies. Dans tout les cas, si les interprétations statistiques du formalisme quantique permettent de construire de cohérentes théories à variables supplémentaires et peuvent expliquer l'efficacité opératoire de la physique quantique concernant des distributions statistiques, elles n'apportent pas vraiment de réponse au problème ontologique posé quand au maintien ou non du concept de corps matériel pour le monde microscopique. Ainsi on peut voir clairement que pour expliquer la théorie quantique comme pour prouver son efficacité, celle-ci n'a absolument pas besoin de notions corpusculaires. Cependant, comme Bitbol le suggère, si de telles notions sont maintenues dans le langages de la plupart des physiciens c'est peut-être parce qu'elles sont nécessaires pour conserver un lien entre ce formalisme si particulier et l'expérience commune qui est la nôtre et dans laquelle nous pouvons en général toujours compter sur des entités spatialement bien localisées et dont le suivi ne pose guère de problème. Le statut de la conscience Il nous faut maintenant revenir au problème de la mesure que nous n'avons fait que poser précédemment et notamment sur le statut particulier que le principe de réduction du paquet d'ondes semble donner à l'observation et donc à la conscience. Dans une perspective réaliste ce problème du statut de la conscience est très grave car il devient alors très complexe de construire une description objective de la réalité indépendante. Mais le physicien positiviste doit également être gêné par ce statut très particulier et très important qui est donné à l'influence de l'observateur dans toute opération de mesure car il empêche à première vue de trouver une équation prédictive purement déterministe concernant les résultats de mesures possibles sur un système individuel. La question est donc de savoir si la théorie quantique donne vraiment un statut exceptionnel à la conscience ou s'il est possible de retrouver une description purement physicaliste du réel qui réutilise le même formalisme. Dans un premier temps il faut remarquer que la plupart des théories à variables supplémentaires, dans l'optique d'une description cohérente du réel, évacuent complètement le principe de réduction du paquet d'ondes, et donc toute intervention de la conscience. Pour cela elles supposent généralement que toutes les observables d'un système ont toujours des valeurs bien définies bien qu'elles ne soient pas données par son vecteur d'état. Dans ce cas l'opération de mesure, comme dans toutes les autres sciences, ne fait que dévoiler une donnée préexistante et le vecteur d'état, qui n'est pas plus une description complète du système, n'est actualisé que grâce à l'apport de cette nouvelle donnée comme dans tout fonctionnement probabilistique en physique classique. Cependant nous avons déjà assez précisé les problèmes épistémologiques que soulèvent les théories à variables cachées pour que nous ne nous suffisions pas des solutions qu'elles proposent et qui ne sont de toute manière pas admissibles dans une optique positiviste. Nous devons tenter d'éclaircir le problème posé par le statut de la conscience dans le strict cadre de la théorie quantique conventionnelle. Partons pour cela de la célèbre théorie des états relatifs proposée par Hugh Everett. Celle-ci évacue complètement le principe de réduction du paquet d'ondes mais d'une manière très particulière : il n'est pas question de supposer pour cela des valeurs prédéterminées aux observables du système, bien au contraire, même après la mesure, ces observables ne sont toujours pas considérées comme ayant des valeurs déterminées. Pour se passer ainsi de la réduction du paquet d'ondes et résoudre le problème de la mesure, la théorie des états relatifs se propose de traiter la conscience comme une propriété purement physique de l'observateur, lui-même conçu comme un automate de sorte qu'il n'y ait aucune différence entre lui et n'importe quel autre instrument de mesure. Ainsi, après l'interaction, entre un observateur et un système étudié, que nous appelons communément opération de mesure, le grand système composé de leur combinaison se trouve dans un état enchevêtré, et superposé car il n'y a pas eu réduction du paquet d'ondes. L'observateur, comme tout système quantique dans la théorie orthodoxe, est alors considéré comme étant dans plusieurs états en même temps. Mais comment expliquer alors l'unicité que nous observons perpétuellement à propos de la valeur d'une observable mesurée aussi bien qu'au sujet de notre propre conscience ? La théorie des états relatifs montre comment il découle directement des règles de la mécanique quantique que les différentes'branches'' du vecteur d'état du système total, qui correspondent chacune à un état précis, ne communiquent pas entre elles et sont individuellement cohérentes. En réalité, selon cette théorie, lors d'une mesure, nous observons toutes les valeurs possibles de l'observable considérée mais dans autant d'états de conscience qui ne communiquent pas entre eux. On comprend alors bien comment la théorie de Everett a pu être à la base de la tout aussi célèbre théorie des mondes multiples de Bryce De Witt. Toute opération de mesure crée plusieurs ramifications qui peuvent cohabiter sans encombre en raison du cloisonnement qui les caractérise. Etant donné le nombre de consciences et de mesures effectuées dans l'univers on peut imaginer un nombre astronomique et en augmentation constante pour ces ramifications. Le concept des mondes multiples vient tout simplement de l'idée, que l'on ne peut ni réfuter ni prouver, qu'à la création d'une ramification doit correspondre celle d'un univers correspondant de sorte que le nombre des univers parallèles doit lui aussi être dans une augmentation constante. Aussi étrange qu'elle puisse paraître, la théorie des états relatifs est logiquement très cohérente et permet d'expulser efficacement le principe de réduction du paquet d'ondes sans introduire de données inobservables. Que l'on considère son modèle comme valide ou non, le coup de génie d'Everett demeure qu'il ait songé à faire glisser le problème de la mesure de considérations physiques à une conception davantage psychologique, tout en admettant comme valide l'essentiel des règles de la mécanique quantique conventionnelle. Cependant, dans l'analyse que d'Espagnat a pu en proposer, il est possible de remarquer que la théorie des états relatifs peine quelque peu à donner un statut à la mémoire de l'observateur et qu'il est nécessaire pour régler ce point de retomber sur un certain dualisme car l'état de conscience de l'observateur est alors une propriété particulière soumise à un régime spécial. Dans ce dernier cas, si la théorie des états relatifs a le mérite de refuser à la conscience une quelconque influence lors de l'opération de mesure, elle ne parvient pas tout à fait à lui enlever son statut particulier.
Quelle que soit la tournure dans laquelle nous prenons le formalisme quantique orthodoxe, on doit inévitablement constater que les notions d'observation et d'observateur ne peuvent en être expulsées. Etant donné que toute forme d'observation suppose une conscience correspondante et que toute formulation de loi en physique quantique conventionnelle ne peut manquer de faire appel à ce concept d'observation, une vision matérialiste de la théorie quantique du type de celle habituellement adoptée en physique classique, c'est-à-dire éjectant complètement toute référence à l'esprit humain, n'est tout simplement pas envisageable. Et cela est tout à fait indépendant du problème posé par la réduction du paquet d'ondes car par exemple la règle de Born, qui sert à calculer la probabilité que telle valeur soit mesurée sur telle observable, ne peut être transformée en une règle nous permettant de déterminer la valeur que telle observable a avant la mesure que si l'on se place dans le cadre d'une théorie à variables supplémentaires. Donc soit on prend le formalisme dans sa mouture orthodoxe et on est alors dans l'incapacité de tenir l'habituel discours scientifique et physicaliste, soit on adhère à l'une des théories à variables cachées mais, en admettant ainsi des données non-empiriques, on s'expose à l'accusation scientiste, habituellement réservée aux théories les moins matérialistes, d'accepter des hypothèses métaphysiques. Comme le remarque Bitbol, cette irréductible présence de l'expérimentateur dans la formulation de la théorie quantique fera rappeler à Bohr ce fait, pourtant déjà remarqué par la tradition philosophique mais oublié dans la construction de la méthode scientifique, que « nous sommes aussi bien acteurs que spectateurs dans le grand drame de l'existence ».

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article685

Lire encore que la réduction du paquet d'ondes :

https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9duction_du_paquet_d%27onde

http://www.physique-quantique.wikibis.com/reduction_du_paquet_d_onde.php

https://blogs.mediapart.fr/jean-paul-baquiast/blog/210716/la-reduction-du-paquet-donde-est-elle-une-realite-objective

https://datafranca.org/wiki/Processus_de_r%C3%A9duction_du_paquet_d%E2%80%99ondes

https://forums.futura-sciences.com/physique/163843-reduction-paquet-donde-decoherence.html

https://fr.quora.com/La-d%C3%A9coh%C3%A9rence-et-la-r%C3%A9duction-du-paquet-donde-sont-elles-synonymes

https://www.phy.ulaval.ca/fileadmin/phy/documents/PDF/Pedago/Ondes_v3.pdf

https://www-fourier.ujf-grenoble.fr/~faure/enseignement/meca_q/cours.pdf

https://fr.quora.com/La-conscience-est-elle-n%C3%A9cessaire-pour-la-r%C3%A9duction-du-paquet-donde

https://forums.futura-sciences.com/physique/822683-quantique-mesure-reduction-paquet-donde-observateur.html

https://scienceetonnante.com/2022/12/08/mesure-quantique-coleman/

https://www.pourlascience.fr/sd/epistemologie/l-observateur-un-defi-pour-la-physique-quantique-18875.php

Philosophie du vide quantique

Robert Paris — 2024-05-10T22:05:00Z

Philosophie du vide quantique

« Le vide quantique est un état quantique particulier du champ, celui qui possède la plus basse des énergies possibles qui soit compatible avec les relations d'incertitude de Heisenberg… En termes particulaires, les fluctuations quantiques du champ peuvent se visualiser comme des « particules » dont le temps de séjour est limité par les relations d'incertitude. Tout se passe comme si elles surgissaient spontanément du vide, par paires, avec l'obligation quantique incontournable de devoir s'y réannihiler tout aussitôt. »

Edgar Gunzig dans « Du vide à l'Univers » (article au sein de l'ouvrage collectif « Le vide » dirigé par Gunzig et Diner

Le vide quantique n'est pas seulement une matière à réflexions scientifiques mais également un thème philosophique. Certains diront ironiquement que moins on en sait sur une question et plus on peut disserter autour mais ils auront tort car on n'en sait pas davantage sur la physique de la matière que sur celle du vide, tout simplement parce que les deux sont absolument inséparables, même en physique classique. La physique n'a jamais pu se passer du vide, aussi bien pour l'étude de la matière que de la lumière, tout comme ces deux études n'ont jamais pu se passer l'une de l'autre. Pour prendre un seul exemple, rappelons qu'il n'y a pas d'interaction matière-matière (les fermions) sans médiation par la lumière (les bosons). De très nombreuses constantes de la physique ne sont rien d'autres que des propriétés attribuées au vide. L'exemple le plus connu est bien sûr la vitesse de la lumière, limite supérieure de toute propagation dans le vide. Mais on peut aussi citer la permittivité ou encore la perméabilité du vide. En physique quantique, le vide devient totalement incontournable puisque le nuage de la fonction d'onde caractérise un système matériel mais aussi un état du vide. Les espaces-temps de la relativité et de la quantité ne sont que des propriétés du vide.

Même en physique classique, l'apparition et la disparition des photons est nécessairement une propriété du vide. Il en va de même pour l'apparition et la disparition des particules en physique quantique.

Le premier motif pour nier l'existence du vide est sa transparence à la matière et à la lumière. En effet, cela entraine que des expériences fondées sur la matière et la lumière ne sont pas capables de mesurer la présence et l'état du vide. Et, comme l'écrit David Finkelstein dans « L'éther adamantin », « le vide est pratiquement totalement transparent à la lumière, aux neutrinos, électrons et protons, ainsi qu'aux ondes gravitationnelles, aux molécules chimiques et cristaux stables, tout comme aux structures macroscopiques stables comme les planètes. Tout se déplace dans le vide avec une absolue mobilité… » Mais il rajoute que ce sont seulement des structures stables qui semblent inchangées dans le vide sur un temps suffisamment long, mais ce n'est pas le cas des particules instables qui, elles, changent et interagissent avec le vide quantique.

Les sceptiques du vide quantique, considéré comme une réalité physique, estiment qu'il s'agit d'effet purement mathématique qui n'a pas plus de réalité physique indépendante que les décompositions de Fourier, tout en étant aussi utiles mathématiquement. Ils ont la même crainte d'imaginer une réalité qui n'existerait pas vraiment que l'avaient Planck et Einstein en découvrant le photon, le corpuscule de lumière. Ces deux derniers ont commencé par y voir un effet purement mathématique sans oser affirmer que le photon existe comme corpuscule réel, avant de reconnaître ouvertement son existence, Einstein en étant convaincu le premier.

Le virtuel (c'est-à-dire les bosons et les fermions éphémères du vide quantique) est aussi considéré par beaucoup de scientifiques comme un effet purement mathématique, donc indispensable dans les calculs mais sans réalité. Mais il n'y a pas de preuve que ce ne soit pas une réalité.

D'ailleurs, l'expression « virtuel » (pour les particules du vide quantique) est opposée dans la terminologie à l'expression « réel » qui étudie la matière et la lumière que nous pouvons observer ou mesurer.

Bien sûr, on pourrait se dire : puisqu'on ne peut ni observer ni mesurer le vide quantique, on ne peut raisonner dessus, ni faire de science à son propos et on doit laisser ces discussions aux métaphysiciens. Là non plus, ce n'est pas légitime. La physique a absolument besoin d'un espace-temps qui est une structure d'un univers sans matière et sans lumière dans lequel matière et lumière se déplacent. Un tel univers existe-t-il ? Il faut reconnaître qu'on n'en a pas la preuve mais que c'est bien plus probable que le contraire car l'existence réelle d'un espace-temps en dehors des masses et des charges de la matière dite réelle est nécessaire à la physique et pas seulement mathématiquement.

Quelque chose de fondamental distingue-t-il les deux (réel et virtuel) ? Oui, c'est l'énergie interne qui est, dans le « virtuel », moitié de celle du « réel ». C'est tout, même si cela a d'autres effets.

Le vide quantique se définit comme un espace-temps dans lequel il y a zéro particule de masse et un champ zéro (ce qui n'empêche pas les fluctuations autour de zéro du moment que la moyenne est nulle). Cela ne signifie pas que la densité d'énergie soit elle aussi nulle puisqu'elle fait intervenir les valeurs absolues des amplitudes positives ou négatives de l'énergie fluctuant autour de zéro. Tout en étant vide de matière et de lumière, le virtuel est très structuré, a des propriétés, n'est pas n'importe quoi.

On dit que le vide ne peut être ni palpé, ni observé, ni mesuré, mais cela ne signifie pas qu'on ne peut rien prouver le concernant, ni qu'on ne peut faire aucune expérience qui vérifie qu'il existe ou pas.

Un des exemples fameux de l'intervention du vide est celle des plaques conductrices de grande taille collées l'une à l'autre et de la force qui les pousse à rester collées ou force de Casimir. La pression qu'elle révèle est celle du vide !

Une autre manifestation des particules du vide consiste à approcher de l'une d'elles avec un objet très accéléré, et on constate alors que la particule virtuelle n'est plus invisible, sans interaction, mais devient perceptible, devient même « réelle » pour la particule accélérée du moins.

Une autre remarque importante : une particule « réelle » n'est rien d'autre qu'une particule « virtuelle » qui a reçu un boson de Higgs.

Autre point important, aucune particule réelle n'existe à l'état « nu », c'est-à-dire sans son nuage de particules et antiparticules virtuelles. C'est le nuage virtuel qui confère à la particule sa charge et sa masse, ces propriétés que nous considérons comme caractéristiques de la stabilité de la particule.

En fait, il apparait finalement que l'apparente stabilité des particules provient du fait que leurs propriétés sont conservées même si le porteur change en sautant d'une particule virtuelle (donc éphémère) à une autre.

L'existence des constantes de Planck, limites inférieures de temps et d'espace donnent une indication supplémentaire sur le vide quantique car ces constantes ne mesurent rien de matériel ni de lumineux, rien de réel. Ce sont sans doute des caractéristiques du vide quantique. Cela donne aussi une limite supérieure à l'énergie, une constante d'énergie qui ne mesure ni la matière ni la lumière, des particules réelles et qui doit aussi caractériser le vide.

Un autre argument (et nous sommes loin de les citer tous) en faveur de l'existence réelle du vide quantique est le vecteur de Poynting. Ce vecteur indique comment et dans quel sens vient l'énergie. Par exemple, pour un câble coaxial, il indique que l'énergie vient du vide entourant le câble et non du câble lui-même.

Le vide est porteur d'énergie, porteur de médiation des particules, porteur des champs.

Avec les particules et antiparticules du vide quantique, l'espace-temps est physique même en l'absence de particules réelles. Lrs particules réelles sont fondées sur des particules virtuelles qui ont reçu de l'énergie (un boson de Higgs par exemple). Ces particules virtuelles fondent aussi bien les photons réels que les particules réelles de matière.

Le virtuel n'est donc nullement de l'imaginaire, du magique ou du métaphysique. Cependant, en termes philosophiques, l'existence ou la non-existence d'un être (le vide) qui n'est ni palpable ni observable ni mesurable mais dont on ne peut pas se dispenser et qui détient une telle capacité d'énergie (dix puissance cent vingt fois plus que la matière et la lumière), dans lequel les objets peuvent apparaitre et disparaitre, a eu de quoi stimuler les imaginations les plus métaphysiques, religieuses, magiques ou mystiques, les plus rétives à la science et qui ont vu dans la physique quantique des champs (celle qui étudie le vide quantique) un véritable champ… d'action et d'investigation imaginaire.

Cela ne signifie pas que les mysticismes ou autres balivernes soient les seules philosophies que favorise la découverte du vide quantique.

C'est du matérialisme et de la dialectique que nous allons surtout parler dans cet article à propos du vide quantique. Et cela non seulement parce que nous défendons clairement une philosophie matérialiste et dialectique mais parce que cela a un rapport direct avec ce que nous venons d'exposer sur le vide quantique et de son rôle en Physique.

Pourquoi la dialectique ? Parce que le fait que les contraires ne se contentent pas de s'opposer mais se composent, qui est le propre de la dialectique hégélienne, est justement ce que l'on constate dans cet univers virtuel. Le stable et l'instable sont indispensables l'un à l'autre, le durable et l'éphémère également, les particules sans masse sont la base des particules avec masse, les ondes et les particules sont indispensables les unes aux autres, un univers vide, sans particules et sans ondes est beaucoup plus plein d'énergies qu'un univers plein, etc.

Le vide quantique unifie de manière dialectique le continu et le discontinu, l'actuel et le virtuel, l'onde et le corpuscule, la matière et la lumière. Il est lui-même une unité dialectique de la matière et de l'antimatière.

Pourquoi le matérialisme ? Parce que le vide quantique donne un fondement matériel à l'Univers entier à condition d'admettre dans le concept de « matière », celle qui est éphémère, celle qui apparaît et disparait, celle qui possède une énergie interne moitié de notre matière usuelle. Cela n'est pas une croyance magique d'admettre cela !

Croire que toute la matière doit absolument être exactement comme nous sommes fabriqués, comme le sont nos instrument, c'est une croyance mystique, magique, métaphysique.

Nous ne sommes ni le centre du monde, ni faits du matériau fondamental du monde. C'est le vide qui, avec ses divers niveaux d'organisation, est le fondement matériel du monde.

Loin de nuire au matérialisme, le vide quantique, en unifiant matière et lumière, onde et corpuscule, élimine les tendances dualistes de la physique quantique. Et surtout, le vide donne une base nouvelle au matérialisme parce que le vide quantique est matériel : c'est de la matière éphémère. Ce caractère instable ne veut pas dire que la matière virtuelle se transforme en « rien » mais que la particule virtuelle se transforme en particule virtuelle de virtuel en perdant de l'énergie, comme la particule dite réelle se transforme en particule virtuelle en perdant de l'énergie ;

La base réelle de la matière est donc bel et bien la matière virtuelle (et son antimatière).

La philosophie qui permet de comprendre de tels mécanismes étonnants est le matérialisme et la dialectique.

Matière et vide quantique

Robert Paris — 2024-03-12T23:05:00Z

Matière et vide quantique

Qu'est-ce que le vide :

http://www.matierevolution.fr/spip.php?article597

Finalement, qu'est-ce que le vide et qu'est-ce que la matière, que sont leurs interactions :

https://www.matierevolution.fr/spip.php?breve95

Quelle est la structure de la matière et du vide - ou comment la matière est virtuelle et le virtuel est matière :

http://www.matierevolution.fr/spip.php?article1324

Pourquoi le vide quantique est la base de toute formation et de toute compréhension de la matière :

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article4372

Peut-on faire jaillir la matière du vide :

https://www.larecherche.fr/dossier-physique/peut-faire-jaillir-la-mati%C3%A8re-du-vide

L'infini de la matière, le vide :

https://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/astronomie-infini-mysteres-limites-univers-574/page/8/

L'énergie noire vient-elle du vide quantique :

https://www.irap.omp.eu/2013/05/actu-energienoire/

L'infiniment vide n'existe pas :

https://www.pourlascience.fr/sd/physique/l-infiniment-vide-n-existe-pas-4196.php

Des physiciens créent de la lumière à partir du vide :

https://www.lemonde.fr/passeurdesciences/article/2011/12/01/des-physiciens-creent-de-la-lumiere-a-partir-du-vide_5986143_5470970.html

Et la lumière surgit du néant :

http://www.slate.fr/life/68851/et-la-lumiere-surgit-du-neant

Des physiciens manipulent le vide quantique :

https://coulomb.umontpellier.fr/Des-physiciens-du-L2C-manipulent-le-vide-quantique

Résolution de la Catastrophe du Vide :

https://fr.resonancescience.org/blog/Resolution-de-la-Catastrophe-du-Vide

Le vide matériel :

https://halshs.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/177356/filename/PatyM-1998d-VideMat.pdf

La matière, émergence de structure au sein du vide :

http://www.matierevolution.fr/spip.php?article37

Lire encore :

https://www.google.fr/search?hl=fr&q=virtuel+site%3Ahttp%3A%2F%2Fwww.matierevolution.fr+OR+site%3Ahttp%3A%2F%2Fwww.matierevolution.org&btnG=Recherche&meta=&gws_rd=ssl

Quelle physique s'applique à l'échelle de Planck ?

Robert Paris — 2023-05-05T22:05:00Z

Quelle physique s'applique à l'échelle de Planck, là où relativité et quantique s'appliquent en même temps ? La réponse n'est pas surprenante mais renversante !

Aux dimensions de Planck, limites inférieures des dimensions universelles de temps, d'espace et d'énergie, là où relativité et quantique s'appliquent en même temps, il n'y a pas de différence entre vide quantique et matière : à cette échelle, il faut dire adieu aux instants de temps, adieu aux points de l'espace, adieu à la variété espace-temps, adieu aux observables et aux mesures, adieu à la masse, adieu aux trajectoires, adieu à la permanence de la matière, adieu aux mesures, adieu aux observations, et même adieu à la séparation diamétrale entre matière et vide.

Le texte qui suit est extrait de l'article de Christophe Schiller dans l'ouvrage collectif « Le Vide » dirigé par Edger Gunzig et Simon Diner, article intitulé « Le vide diffère-t-il de la matière ? ». Il raisonne entièrement aux dimensions de Planck et démontre qu'à cette échelle, toute la physique est bouleversée, y compris la physique quantique et la relativité.

« Le face-à-facede la mécanique quantique et de la relativité générale conduit à des conclusions surprenantes concernant l'espace et le temps. Nous montrons que les concepts de continuité de l'espace-temps, de point d'espace, de moment de temps, de particule ponctuelle, de causalité, perdent tout fondement dans le domaine des distances inférieures à la distance de Planck, ou celui des énergies de Planck. Le vide lui-même devient indiscernable de la matière et du rayonnement.

(…)

Pour décrire le mouvement, ces deux théories (relativité générale et mécanique quantique) recourent à des objets constitués de particules et à la notion d'espace-temps. Voyons comment ces concepts sont définis.

Une particule – et en général tout objet – est défini comme une entité permanente, à laquelle une position peut être attribuée et qui peut se déplacer (l'étymologie du terme « objet » se rapporte à ce dernier trait). En d'autres termes, une particule est une petite entité dont la masse, la charge, etc. se conservent. Cette particule peut changer de position avec le temps.

Cependant, dans tous les traités de physique, les temps est déterminé à l'aide d'objets en mouvement, qu'on appelle habituellement « horloges », ou à l'aide de particules en mouvement, comme celles qui sont émises par des sources de lumière. De même, l'unité de longueur se définit également avec des objets, par exemple les règles comme autrefois, ou le mouvement de la lumière qui n'est rien d'autre qu'un ensemble de particules en mouvement.

(…)

Pour éviter les contradictions entre la mécanique quantique et la relativité générale… les changements conceptuels nécessaires sont si spectaculaires qu'ils devraient intéresser tous ceux qui manifestent un certain intérêt pour la physique… La mnière la plus efficace d'approcher ces changements sera de fixer notre regard sur les détails du domaine où la contradiction entre les deux théories standard prend son tour le plus saillant et où elles sont toutes deux nécessaires en même temps…

La relativité générale et la mécanique quantique proposent chacune un critère pour déterminer quand la physique galiléenne n'est plus applicable… La relativité générale montre qu'il est nécessaire de prendre en compte la courbure de l'espace-temps lorsque l'on s'approche d'un objet de masse m à des distances de l'ordre du rayon de Schwarzschild qui vaut deux fois la constante de gravitation universelle de Newton fois la masse et divisé par le carré de la vitesse de la lumière… Un objet plus petit que son propre rayon de Scwarzschild est un « trou noir ». Selon la relativité générale, aucun signal issu de l'intérieur du rayon de Schwarschild ne peut parvenir au monde extérieur d'où le nom « trou noir ».

De même, la mécanique quantique montre que la physique classique galiléenne doit être abandonnée et les effets quantiques pris en compte lorsque l'on approche d'un objet à des distances qui sont de l'ordre de la longeur d'onde de Compton qui est égale à la constante de Planck h barre divisée par le produit de la masse et de la vitesse de la lumière. Naturellement, cette longueur n'a d'importance que si l'objet lui-même est plus petit que sa longueur de Compton. A ces échelles, on observe des effets quantiques relativistes, comme les créations et annihilations de particules-antiparticules (théorie quantique des champs).

(…)

Si nous rassemblons ces deux résultats, les situations qui demandent la combinaison des concepts de la théorie quantique des champs et de la relativité générale sont celles où ces deux conditions sont satisfaites simultanément. La distance d'approche critique admise est un rayon de Schwarschild double de la longueur d'onde de Compton. On constate que c'est le cas lorsque les longueurs sont de l'ordre de la « longueur d'onde de Planck » et les temps de l'ordre du « temps de Planck ».

La longueur d'onde de Planck « lP » vaut 1,6 fois dix puissance moins 35 mètres et le temps de Planck « tP » vaut 5,4 fois dix puissance moins 44 secondes.

lP vaut tP multiplié par la vitesse de la lumière c. Le carré de lP vaut la constante de Planck h barre fois la constante de gravitation universlle G divisé par la puissance trois de la vitesse de la lumière.

Si l'on approche un objet à ces échelles, la relativité générale et la mécanique quantique jouent toutes deux un rôle.

(…)

Est-il possible de construire une horloge qui soit susceptible de mesurer des intervalles de temps plus courts que le temps de Planck ? Il est remarquable que la réponse soit non ; même si dans la relation d'incertitude temps-énergie (produit des incertitudes de temps et d'énergie supérieure ou égale à h barre), il semble que qu'en donnant l'incertitude de d'énergie une valeur arbitrairement grande, l'on peut rendre l'incertitude de temps aussi petite que l'on veut.

Une horloge est un appareillage qui comporte des pièces mobiles qui peuvent être des roues mécaniques, des particules matérielles en mouvement, des champs électromagnétiques variables – des photons -, des particules radioactives en désintégration, etc. Pour chaque composant mobile d'une horloge, par exemple les aiguilles du cadran, le principe d'incertitude s'applique… Or, à propos d'une horloge quelconque, l'on doit connaitre le temps marqué et l'énergie pour chaque aiguille sans quoi ce ne serait pas un système classique, c'est-à-dire que ce ne serait pas un système d'enregistrement… Il est évident que le plus petit intervalle de temps qui peut être mesuré par une horloge est toujours plus grand que la limite quantique, et donc plus grand que la précision temporelle qui résulte de la relation d'incertitude pour ses parties en mouvement. On a donc la relation : plus petit intervalle de temps plus grand ou égal à h barre divisé par l'incertitude sur l'énergie du composant en mouvement.

Cette incertitude sur l'énergie est certainement plus petite que l'énergie totale du composant lui-même qui vaut la masse fois le carré de la vitesse de la lumière…

Qui plus est, toute horloge fournit de l'information ; il faut donc que des signaux puissent en émaner. Pour permettre ceci, l'horloge ne doit pas être un trou noir ; sa masse ne doit donc pas être plus petite que la masse de Schwarschild pour sa taille, soit inférieure ou égale au produit de la taille de l'horloge par le carré de la vitesse de la lumière divisée par la constante de gravitation universelle G. Et finalement, la taille de l'horloge doit être plus petite que le facteur vitesse de la lumière fois le plus petit intervalle de temps lui-même, pour permettre une mesure adéquate de l'intervalle de temps ; sinon les diverses pièces de l'horloge ne pourraient travailler ensemble pour afficher le même temps…

Si l'on réunit toutes ces conditions, on obtient que le plus petit intervalle de temps est plus grand ou égal au temps de Planck.

En résumé, l'on obtient la conclusion générale que les horloges ne peuvent mesurer que des intervalles de temps plus courts que le temps de Planck, et ce à partir des trois propriétés simples de toute horloge, n'avoir qu'une seule horloge (pas d'horloge avec, en paire, son antihorloge), savoir lire son cadran et qu'elle donne des informations adéquates.

On observera que cet argument est indépendant de la nature du mécanisme de l'horloge. Que celle-ci soit mue par des moyens d'ordre gravitationnel, électrique, simplement mécanique, voire nucléaire, les relations ci-dessus s'appliquent.

(…)

L'on est ainsi conduit à conclure qu'il existe dans la nature un intervalle de temps minimum. En d'autres termes, aux échelles de Planck, le terme « instant du temps » ne s'appuie ni sur la théorie ni sur l'expérience. Utiliser ce concept n'a donc aucun sens.

L'on peut de même déduire qu'il n'est pas possible de construire une règle pour mesurer la longueur ou un quelconque autre instrument de mesure qui puisse mesurer des longueurs plus courtes que la longueur de Planck. Cela découle déjà de la relation longueur de Planck égale vitesse de la lumière c fois temps de Planck.

La manière simple de mesurer la distance entre deux points est de mettre un objet au repos en chacun d'eux. En d'autres termes, des mesures conjointes de la position et de l'impulsion sont nécessaires pour toute mesure de longueur. Or, la longueur minimum mesurable est certainement plus grande que l'incertitude qui porte sur la position des deux objets. A partir du principe d'incertitude, l'on sait que la position de chacun ne peut être connue avec une précision meilleure que celle donnée par la relation d'incertitude :

incertitude sur la position fois incertitude sur l'impulsion égale constante dePlanck h barre

Si l'on exige qu'un seul objet figure à chacune des deux extrémités (autrement dit si l'on veut éviter la production quantique de maires d'objets à partir du vide), cela implique que l'incertitude sur l'impulsion soit inférieure au produit de la masse et de l'impulsion.

La longueur minimum mesurable étant supérieure ou égale à l'incertitude sur la longueur qui est supérieure ou égale à la constante de Planck h barre divisée par le produit de la masse et de la vitesse de la lumière.

De plus, la mesure ne peut être effectuée si des signaux ne peuvent quitter l'objet en question : il ne peut pas s'agir de trous noirs. Les masses doivent donc être si petites que leur rayon de Schwarschild est plus petit que la distance qui les sépare. D'où il découle que la longueur minimum mesurable est supérieure ou égale à la longueur de Planck.

Une autre technique pour déduire cette limite renverse le rôle de la relativité générale… L'on retrouve une fois encore que la limite de mesure de longueur est la distance de Planck.

On peut remarquer que la longueur de Planck étant la plus courte possible, il s'ensuit qu'il ne peut exister d'observations ni de conséquences d'effets quantiques pour des situations où la longueur d'onde de Compton correspondante serait plus petite.

(…)

Par conséquent, dans son sens usuel d'entité sans extension, le concept de « point de l'espace » ne peut s'appuyer sur l'expérience. De la même façon, le terme « événement », qui combine les « points de l'espace » et l' « instant de temps » perd également sa signification pour la description de la nature.

Ces résultats sont résumés dans ce que l'on appelle le principe d'incertitude généralisé selon lequel le produit des incertitudes sur la position et sur l'impulsion est supérieur ou égal à sa somme de deux termes dont l'un dérive de la physique quantique (h barre sur deux) et l'autre de la relativité (G fois le carré de l'incertitude d'impulsion divisé par la vitesse de la lumière à la puissance trois).

(…)

La description de l'espace-temps en termes de continuum doit donc être abolie en faveur d'une autreplus appropriée.

la nouvelle relation d'incertitude aux échelles de Plack devient :

incertitude sur la longueur fois incertitude sur le temps supérieure ou égale à temps de Planck fois longueur de Planck
Une manière finale de se convaincre que les points n'ont pas de signification est qu'un point ne peut avoir qu'un volume nul ; mais le volume minimum possible dans la nature est le volume de Planck égale distance de Planck à la puissance trois.

(…)

Mais les conséquences des limites de Planck pour les mesures de l'espace et du temps peuvent être poussées beaucoup plus loin…

C'est un lieu commun que de dire qu'étant donnés deux points quelconques de l'espace ou deux instants du temps, il y en aura toujours un troisième entre eux. Les physiciens se contentent de baptiser continuité cette propriété et les mathématiciens parlent de densité. Mais aux dimensions de Planck, cette propriété ne peut plus tenir, puisque l'on ne peut avoir des intervalles plus courts que le temps de Planck : points et instants ne sont donc pas denses, et entre deux points il n'y en a pas toujours un troisième. Mais ceci signifie que l'espace et le temps ne sont pas continus.

(…)

La relativité restreinte, la mécanique quantique et la relativité générale reposent toutes trois sur l'idée que le temps peut être défini pour tous les points d'un référentiel donné. Or, deux horloges éloignées d'une certaine distance ne peuvent être synchronisées avec une précision arbitraire. Puisque la distance qui les sépare ne peut être mesurée avec une erreur plus petite que la longueur de Planck, et sachant que la transmission des signaux est indispensable à la synchronisation, il n'est donc pas possible de synchroniser deux horloges avec une précision plus fine que celle que nous impose le temps de Planck. En raison de cette impossibilité, l'idée d'une coordonnée temporelle unique pour un référentiel global n'est qu'une approximation elle aussi et ne peut être maintenue dans le cadre d'une description précise de la nature.

De plus, puisque l'écart entre événements ne peut se mesurer avec une précision plus fine que le temps de Planck, il s'ensuit que pour deux événements éloignés dans le temps de cet ordre de grandeur, il n'est pas possible de dire avec une certitude complète lequel précède l'autre. Ceci constitue un résultat important. Si les événements ne peuvent être ordonnés aux échelles de Planck, le concept de temps, que l'on a introduit en physique pour décrire des séquences, ne peut tout simplement pas être défini.

En d'autres termes, une fois abandonnée l'idée de coordonnée temporelle unique pour un référentiel global, on se voit contraint d'abandonner également celle du temps d'un événement considéré comme un « point » unique.

(…)

L'existence même d'une longueur minimum ciontredit la relativité restreinte où l'on montre que, si l'on passe à un système de coordonnées en mouvement, une longueur donnée subit une contraction de Lorentz. Il ne peut exister de longueur minimum en relativité restreinte ; et donc, aux dimensions de Planck, l'espace-temps n'est ni invariant de Lorentz, ni invariant par difféomorphisme, ni invariant par dilatation.

(…)

Mais nous ne sommes pas au bout de nos surprises. Aux échelles de Planck, puisque l'ordre temporel et l'ordre spatial s'effondrent, il n'est pas possible de décider si la distance entre deux régions de l'espace-temps assez proches est de type spatial ou temporel. Les limites de la mesure rendent impossible la distinction entre ces deux cas. Aux échelles de Planck, le temps et l'espace ne peuvent se distinguer.

En résumé, aux échelles de Planck, l'espace-temps n'est ni continu, ni ordonné, ni pourvu d'une métrique, ni quadridimensionnel, ni constitué de points.

(…)

Pour achever cet inventaire, si l'espace et le temps ne sont pas continue, les quantités définies comme des dérivées spatiales ou temporelles n'ont pas de définition précise.

(…)

L'expression courante pour une grandeur observable A(x,t) n'a pas de sens…Aux échelles de Planck, les champs physiques ne peuvent être décrits par des fonctions continues… Il est impossible de définir la multiplication des observables par des nombres continus…

En théorie quantique des champs, la différence entre une particule virtuelle et une particule réelle est qu'une particule réelle est « sur sa couche de masse », c'est-à-dire qu'elle obéit à la relation énergie au carré égale masse au carré fois vitesse de la lumière puissance quatre plus impulsion au carré fois vitesse de la lumière au carré, alors qu'une particule virtuelle n'y obéit pas. Aux échelles de Planck, on ne peut pas déterminer si une particule est réelle ou virtuelle.

Mais ce n'est pas tout. Puisque l'antimatière peut être décrite comme de la matière qui se déplace à contre-courant dans le temps, et puisque la différence entre mouvement et mouvement inverse ne peut être observée aux échelles de Planck, l'on ne peut distinguer la matière et l'antimatière à ces échelles.

(…)

De même, l'imprécision sur la position nous empêche de déterminer des positions distinctes précises pour des expériences d'échange. En bref, aux échelles de Planck, on ne peut définir le spin, on ne peut distinguer les fermions des bosons ou, autrement dit, la matière du rayonnement…

(…)

Pour conclure, le vide, c'est-à-dire l'espace-temps vide ne peut se distinguer de la matière aux échelles de Planck. (…) »

Articles scientifiques de Christophe Schiller :

https://scholar.google.fr/scholar?hl=fr&as_sdt=0%2C5&as_vis=1&q=article+scientifique+C.+Schiller+planck&btnG=

Christophe Schiller, « L'aventure de la Physique » :

Chute, flux et chaleur

https://www.motionmountain.net/MontagneMouvement-volume1.pdf

La Relativité

https://www.motionmountain.net/MontagneMouvement-volume2.pdf

Lumière, charges et cerveau

https://www.motionmountain.net/MontagneMouvement-volume3.pdf

La quantification du changement

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume4.pdf

Mouvement au sein de la matière

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume5.pdf

Une spéculation sur l'unification

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume6.pdf

https://www.motionmountain.net/motionmountain-volume7.pdf

Que sont les photons virtuels et quel est leur rôle fondamental dans le fonctionnement de la matière ?

Robert Paris — 2022-02-07T23:05:00Z

Que sont les photons virtuels et quel est leur rôle fondamental dans le fonctionnement de la matière ?

Les photons sont la forme corpusculaire de la lumière (plus généralement des bosons). Mais il ne faut pas oublier que les bosons (comme les fermions qui sont les corpuscules de la matière) sont quantiques, c'est-à-dire non seulement procédant par quantités entières de grains d'une quantité appelée "action" (quantité équivalent au produit d'une énergie et d'un temps), mais aussi à la fois corpusculaires et ondulatoires.

Rappelons que bosons et fermions se distinguent parce que les premiers s'agglomèrent en grand nombre que les seconds ne le peuvent pas. Les premiers ne cessent de se multiplier pendant que les seconds se conservent...

Les bosons comme les fermions peuvent être captables par un appareil à notre échelle (on les dit alors « réels ») ou non captables mais détectables par leurs effets (on les dit alors « virtuels »).

On pouvait croire avoir des dualités réel/virtuel, onde/corpuscule, boson/fermion et on trouve finalement des unités dialectiques des contraires !!!

Des heurts entre des fermions donnent des bosons et des couples de bosons se transforment en fermions.

Les bosons et fermions dits réels fonctionnent par unités de quanta, et leurs homogues virtuels fonctionnent par demi unités de quanta. Il en résulte qu'il suffit de fournir un demi quanta à une unité virtuelle pour qu'elle devienne réelle…

Par exemple, dans la liaison atomique la plus simple, celle qui lie le proton et l'électron dans l'atome d'hydrogène, on est en présence d'un photon virtuel de 13.6 eV.

Autre exemple, à un niveau beaucoup plus interne, on peut prendre celui du noyau de deutérium, la liaison nucléaire entre le proton et le neutron est représentée par un 'nuage' de particules élémentaires telles que les mésons Pi, les Kaons et d'autres aux noms plus ou moins exotiques.
On les dit virtuelles parce qu'elles prennent naissance aussi vite qu'elles disparaissent pour respecter le principe de conservation de l'énergie.

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).

La notion de « virtuel » fait appel à des seuils appelés inégalités d'Heisenberg. Quand on est en dessous ou proche de de ces seuils, on est dans le virtuel. Ce qui est inférieur à un quanta h est du virtuel, c'est-à-dire un phénomène du vide quantique.

En microphysique, les particules échangent des photons lumineux pour interagir. Ce phénomène fondamental de la matière/lumière a été interprété pour la première fois par les diagrammes de Feynman de l'électrodynamique quantique. Il s'agit du seul mode de description connu des interactions entre particules via les photons lumineux. Il a été vérifié par un grand nombre de calculs qui sont les plus précis de toute la physique. Cependant, pour bien des physiciens, la réalité des interactions révélées par Feynman n'est pas encore reconnu unanimement. En effet, elles nécessitent de reconnaître dans le vide un nombre infini de particules, d'antiparticules et de photons éphémères, appelés « virtuels » parce qu'ils sont trop fugitifs pour être mis en évidence par des mesures supérieures au temps de Planck. Les virtuels ne peuvent donc être mesurés par la matière/lumière. Au cours d'une transformation de matière/lumière, elles sont insensibles mais sont nécessaires au calcul et on est amené à supposer qu'elles apparaissent et disparaissent. Nous allons voir qu'au contraire les diagrammes de Feynman ne montrent pas que les corpuscules virtuels apparaissent et disparaissent mais que ce sont les corpuscules matériels dits réels qui apparaissent et disparaissent ! Ceux qui existent réellement sont donc les particules du vide et l'aspect réel, durable, n'est qu'une apparence, effet des interactions.

Ainsi, l'interaction électromagnétique, dite coulombienne, est le produit d'échanges de photons dits virtuels et l'interaction nucléaire suppose également des échanges virtuels. Feynman explique ainsi dans son cours de physique (chapitre Mécanique quantique) que "on a l'habitude de dire qu'il y a échange d'un électron "virtuel" quand l'électron doit sauter à travers une région de l'espace où il y a une énergie négative. Plus précisément, un "échange virtuel" signifie que le phénomène implique une interférence quantique entre un état avec échange et un état sans échange.

Le photon, tout comme le corpuscule de matière, est un phénomène fondé sur le vide quantique. C'est un couplage d'une particule et d'une antiparticule qui a reçu une énergie suffisante pour que le phénomène reste durable alors que les couples virtuels du vide disparaissent. Le photon est un phénomène périodique dans lequel le cycle consiste dans la transformation : couple virtuel donne photon, puis redonne couple virtuel. Ce phénomène n'est durable que s'il correspond à un certain rapport entre espace et temps. C'est cela qui est appelé « vitesse de la lumière ». La signification de ce rapport distance sur temps est qu'il faut une certaine quantité de vide autour pour effectuer la transformation du cycle entre virtuel et photon avec suffisamment d'énergie. Dans ce sens, la lumière est, comme la matière, une forme d'organisation du vide inorganisé (ou moins organisé), qui permet une transmission durable de l'énergie alors qu'à la base les couples virtuels ne sont pas durables. La différence avec la durabilité de la matière (des particules), c'est que l'énergie est utilisée pour séparer durablement la particule de son antiparticule à laquelle elle restait attachée dans le vide. Cela se réalise par le fait que la particule réelle s'apparie avec une antiparticule proche au sein de son nuage (et devient ainsi virtuelle) et libère ainsi une autre particule qui passe ainsi de virtuelle à réelle. Le dipôle a été cassé par l'apport d'énergie appelé boson de Higgs.

Les particules (virtuelles comme réelles) ne se touchent pas. En effet, elles sont entourées de particules et antiparticules (du virtuel de virtuel ou du virtuel) qui constituent des couches électrisées successivement positives et négatives qui repoussent toute autre particule qui s'approcherait trop.

Quant aux photons qui couplent une particule et une antiparticule, ces nuages entourant chaque particule amènent la particule et l'antiparticule a s'attirer (électriquement) puis à se repousser du fait de la couche virtuelle électriquement opposée à la charge de la particule.

Contrairement à la matière/lumière qui fonctionne par unités entières de un quanta h, les fluctuations du vide ont lieu par demi quanta, h/2, en plus ou demi quanta en moins, qui correspondent à des particules et antiparticules virtuelles fusionnant en un photon virtuel puis se redécomposant en un couples particule/antiparticule virtuels (comme électron/positon ou quark/antiquark). Il suffit qu'une particule virtuelle reçoive l'énergie nécessaire pour devenir réelle. Il suffit qu'une particule réelle perde de l'énergie pour redevenir virtuelle. Cette énergie peut être portée par un photon lumineux. Du coup, un photon d'énergie suffisante rend réelle une particule virtuelle. Inversement, l'émission d'un photon rend virtuelle une particule réelle.

Par exemple, dans la liaison atomique la plus simple, celle qui lie le proton et l'électron dans l'atome d'hydrogène, on est en présence d'un photon virtuel de 13.6 eV.

couplage électron-photon (appelé vertex) : un électron peut émettre ou absorber un photon ; ce processus a une probabilité proportionnelle à la charge électrique de l'électron ;

propagateur du photon : un photon peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre ; la probabilité ne dépend que de la distance dans l'espace-temps entre les deux points ;

propagateur de l'électron : un électron peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre.

« Un premier électron émet un photon, le photon se propage puis se matérialise en une paire électron-positon qui se propagent puis s'annihilent pour se retransformer en un photon qui se propage et est finalement absorbé par un deuxième électron. Ce processus contient huit diagrammes élémentaires : quatre font intervenir le couplage électron-photon, deux le propagateur du photon et deux le propagateur de l'électron. (...) Trois diagrammes suffisent pour décrire tous les processus de l'électromagnétisme : couplage électron-photon (appelé vertex) : un électron peut émettre ou absorber un photon ; ce processus a une probabilité proportionnelle à la charge électrique de l'électron ; propagateur du photon : un photon peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre ; la probabilité ne dépend que de la distance dans l'espace-temps entre les deux points ; propagateur de l'électron : un électron peut être émis à un point donné de l'espace-temps et absorbé à un autre ; la probabilité est dans ce cas plus compliquée à décrire et elle dépend aussi de la masse de l'électron. Mais le calcul pose des problèmes apparemment insurmontables : il faut additionner les diagrammes de Feynman pris à tous les points de l'espace-temps. Or la somme sur toutes les paires de points de l'espace-temps de la boucle du diagramme représentant la propagation de la paire électron-positon donne un résultat infini. Il existe par ailleurs deux autres diagrammes de Feynman en boucle qui donnent des résultats infinis. (...) Autre exemple du problème des infinis : quelle est la force nécessaire pour mettre en mouvement un électron initialement au repos ? Conformément à la théorie de Maxwell, toute particule chargée accélérée émet des ondes électromagnétiques. Or, ces dernières agissent sur l'électron en le freinant. Le calcul de cette force de freinage selon la théorie de Maxwell donne un résultat infini. Il serait donc impossible de déplacer un électron, ce qui est bien sûr contredit par l'expérience ! Ce n'est qu'en 1949 que Julian Schwinger, Richard Feynman, Sin-Itiro Tomonaga et Freeman Dyson parviennent à résoudre ce problème des quantités infinies des diagrammes en boucle : ils le contournent en inventant une méthode de calcul ingénieuse appelée renormalisation. Elle introduit enfin les concepts quantiques de façon cohérente dans la théorie de Maxwell. Cette nouvelle théorie est appelée électrodynamique quantique. (...) L'électrodynamique quantique est valable jusqu'à une certaine distance minimale qu'on choisit plus ou moins arbitrairement : l'addition des diagrammes de Feynman en boucle sur tous les points de l'espace-temps s'arrête alors à cette distance. On évite ainsi les quantités infinies mais le résultat du calcul de ces diagrammes dépend de cette distance minimale. »

Les photons « réels » définissent l'espace et les photons « virtuels » définissent le temps. Près de la matière, un photon rencontre sans cesse des particules et sont absorbées par elles avant qu'un nouveau photon soit réémis. Ce processus d'absorption/émission définit une distance de libre (sans absorption) parcours moyen. Cette distance donne une échelle locale de l'espace. Lorsque l'on va du vide aux masses matérielles, cette distance diminue sans cesse. C'est un mouvement irréversible qui définit un sens d'écoulement du temps qui n'existe que près des masses matérielles. Dans le vide, il n'y a aucun sens d'écoulement du temps. Plus on s'approche d'une grande masse de matière, plus l'écoulement du temps est rapide (relativité d'Einstein). Les grands espaces quasiment vides qui séparent les galaxies connaissent un écoulement du temps beaucoup plus long. Conformément au fait que les photons lumineux réels qui en mesurent la distance se déplacent à vitesse globalement constante, c, cela signifie que la distance mesurée est plus grande. Plus la matière se concentre plus le vide s'étend. Plus se constituent des étoiles et des galaxies et plus l'univers pris dans son ensemble d'étend. C'est le vide qui grandit et non les distances au sein de la matière. Cela signifie que la gravitation est un effet global opposé à l'expansion et non une interaction liée à une structure du type onde/corpuscule. La gravitation découle donc du processus qui construit en permanence la mesure de l'espace-temps.

Ce qui caractérise la matière, c'est son existence durable. Ce qui caractérise le vide, c'est l'existence brève de ses quantons qui sont dits virtuels mais, rappelons-le, qui sont bel et bien réels. Ils sont seulement éphémères car ils s'accouplent très rapidement même si c'est en un temps aléatoire. Quand ils s'accouplent ils forment un photon. Qu'est-ce qui rend la particule de matière un peu plus « durable » ? C'est une particule virtuelle qui a reçu un boson de Higgs. Quelle hypothèse peut permettre de comprendre ce qui rend une telle particule un peu plus durable, c'est-à-dire qui retarde son accouplement avec un quanton virtuel du vide voisin ? Le fait que la matière constitue une espèce de trou au sein du vide quantique et retarde ainsi les accouplements possibles. D'où pourrait provenir ce « trou », cet isolement de la particule de matière, dite « particule réelle », par rapport aux particules du vide qui sont ses voisines, dites particules virtuelles ? La particule qui aurait reçu un boson de Higgs émettrait une onde de matière, dite onde de Broglie, qui repousserait les quantons virtuels voisins. Ce faisant, il y aurait modification du temps désordonné du vide. Le temps du vide est marqué par la durée moyenne d'accouplement des quantons virtuels. Ce temps serait modifié par la présence de la particule de masse (particule ayant reçu un boson de Higgs) du fait de l'écartement des particules virtuelles voisines. Le temps local tel que nous le connaissons (et non pas tel qu'il existe dans le vide quantique) serait dû à un retardement des interactions avec les quantons virtuels de l'environnement vide. Si une particule se trouve elle-même non dans un environnement vide mais dans un environnement de particules, une moyenne d'interactions avec les quantons virtuels va s'établir, menant à un temps moyen ou temps local. Le déplacement moyen d'une particule durant ce temps va également définir un espace. La matière durable (dite réelle) va ainsi définir un espace et un temps.

Pour subsister, la particule doit brutalement émettre un ou plusieurs photons par un processus qui est assimilable à un choc et par lequel la particule saute d'un état à un autre. Par l'émission de certains bosons (particules d'interaction), ceux du mécanisme de Higgs, la particule cède sa propriété de masse à la particule virtuelle voisine. Le virtuel devient réel et inversement, par une procédure assimilable au même type de choc et qui fonde une nouvelle structure. C'est par ce mécanisme de changement brutal que les caractéristiques de l'ancienne particule sont conservées. La conservation structurelle a eu lieu aux dépens de la matérialité de la particule. Cette dernière a disparu ou, plus exactement, ce n'est plus le même grain qui en est porteur. C'est au prix de cette disparition et de cette apparition que la matière se conserve au plan structurelle (conservation de la masse, de la charge, de l'énergie, etc).

Gilles Cohen-Tannoudji dans "La Matière-espace-temps" :

« La théorie classique de l'électromagnétisme constitue la base de toute l'expérimentation en physique des particules : accélération et détection mettent en jeu les interactions de particules chargées avec des champs électromagnétiques. Cela signifie qu'à l'origine du signal macroscopique obtenu par amplification se trouve toujours un signal microscopique de nature électromagnétique. On s'attend donc que le discontinu et le discret apparaissent dans la description des phénomènes électromagnétiques mettant en jeu des actions de l'ordre de h (constante de Planck). L'effet photoélectrique est justement une première manifestation de ce caractère discontinu. Cet effet consiste en la production d'un courant électrique par l'irradiation d'un métal photo-électrique par un faisceau lumineux. Ce courant correspond à l'arrachement d'électrons par le rayonnement. Le caractère discontinu de l'effet photoélectrique réside dans l'existence d'un seuil de fréquence. En dessous de ce seuil, l'effet photoélectrique ne se produit pas quelle que soit l'intensité du rayonnement. (…) De tels effets sont totalement incompréhensibles en théorie classique. L'interprétation proposée par Einstein en 1905 consiste à supposer que l'énergie du champ électromagnétique est transmise aux électrons grain par grain, par quanta. (…)

En théorie quantique, la force exercée entre deux charges électriques est due à l'échange de photons virtuels. Ces photons sont virtuels car leur existence est éphémère. (...) Des particules quantiques peuvent se trouver dans un état virtuel pendant des durées limitées par les inégalités d'Heisenberg. (...) Le nombre de photons ainsi échangés étant proportionnel au produit des deux charges, on retrouve ainsi la loi de Coulomb. Plus formellement on peut associer à un diagramme de Feynman, dans lequel une seule particule virtuelle est échangée, un potentiel effectif. (...) C'est le potentiel de la théorie classique. La nature attractive ou répulsive du potentiel dépend du signe des constantes de couplage à chacun des vertex du diagramme de Feynman. (...) On dit qu'il y a une transition virtuelle si le diagramme de Feynman comporte au moins une boucle. (...) L'électron n'est pas pensable sans son cortège de photons potentiels. (...) Toute la matière et toutes les interactions sont donc présents dans l'espace vide pourvu que l'on considère cet espace pendant des intervalles de temps suffisamment brefs. Un électron, vu au « microscope », manifeste des structures à toutes les échelles. Ces structures traduisent le caractère indissociable de l'électron et des quanta des champs de force qu'il émet puis réabsorbe. On a là un processus de type fractal. On peut donner un exemple de ce type de structures fractales. (…) L'équilibre entre la phase vapeur et la phase liquide de l'eau présente, dans les conditions de température et de pression voisines du point critique (P=221 bars, T=647°K), une particularité fascinante. Si on examine un échantillon d'eau placé dans ces conditions on observe des gouttes de liquide et des bulles de gaz. Au fur et à mesure que la résolution de l'appareil s'améliore, le phénomène se reproduit sans cesse : les phases liquides et gaz s'emboîtent les unes dans les autres et sont mêlées les unes dans les autres à toutes les échelles de distance. La nouvelle conception de l'élémentarité repose sur un « équilibre » quelque peu similaire : ainsi, ce qui apparaît comme un électron lorsqu'il est « vu » avec une résolution modeste se révèle émettre un photon virtuel ensuite réabsorbé. Avec une résolution encore meilleure, ce photon virtuel peut émettre une paire électron-positron qui se recombine ensuite ; ces paires ne peuvent être réelles car cela violerait le principe de la conservation de l'énergie. La durée de ces transitions virtuelles est limitée par les inégalités d'Heisenberg. (…) L'électron est ainsi habillé d'un nuage de charges positives et négatives. Ces paires virtuelles ont tendance à se polariser, c'est-à-dire à s'orienter vers l'électron, les charges positives masquant la charge nue de l'électron. (…)
En électrodynamique quantique, la force élémentaire entre deux particules de matière est décrite par le diagramme de Feynman d'échange d'un photon virtuel. Mais les transitions virtuelles introduisent des corrections radiatives (purement quantiques) qui peuvent être évaluées grâce à la théorie de la renormalisation. Ces corrections sont interprétées physiquement comme une polarisation du vide : le photon virtuel se matérialise en une paire électron-positron qui s'annihile pour redonner un photon virtuel. Cette polarisation du vide produit un effet d'écran : un électron numéro deux « voit » une charge électrique de l'électron numéro un « écrantée » par la polarisation du vide. C'est d'ailleurs dans cet effet d'écran que réside l'essentiel de la renormalisation : la charge « nue » de l'électron est infinie, c'est la polarisation du vide par les paires électron-positron (qui vivent le temps des transitions virtuelles) qui écrante, renormalise cette charge et en fait une charge physique, finie, effective, dépendant de la résolution.
En électrodynamique quantique donc, le vide est assimilé à un milieu diélectrique, polarisable par les fluctuations quantiques, capable d'écranter la charge électrique. La charge renormalisée décroît quand la distance croît. (…)
Une question lancinante persiste : pourquoi la charge électrique est-elle quantifiée et non continue, et pourquoi la charge des protons qui eux sont formés de quarks (qui a priori n'ont pas grand-chose en commun avec les électrons) est-elle juste opposée à la charge électrique des électrons ? (…) Une voie paraît possible pour tenter d'expliquer la quantification de la charge électrique, c'est la voie de l'unification. (…) Regrouper quarks et leptons dans une même représentation signifie qu'il existe une symétrie dont découlent à la fois les interactions des quarks et celles des leptons. C'est donc qu'il existe une description unifiée des interactions fortes, faibles et électromagnétiques. (…)
Dans l'histoire du cosmos, des transitions de phase, s'accompagnant de brisures de symétries ont différencié les particules et leurs interactions, et produit le germe de toute la variété des structures actuellement présentes dans l'univers. (…) Le vide quantique (c'est-à-dire l'état d'énergie minimale) passe par une série de transitions de phase : déconfinement des quarks et des gluons, annulation de la masse des bosons intermédiaires, annulation de la masse des leptoquarks vers dix puissance 15 gigaélectronvolts. A ce niveau, les différentes interactions deviennent indiscernables. Les particules, qui ne peuvent être différenciées que par la manière dont elles interagissent, deviennent à leur tour indiscernables. »

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 théorie quantique du champ électromagnétique doit pouvoir décrire bien plus que la simple émission ou absorption de photons. Quand deux particules chargées interagissent à distance et s'attirent ou se repoussent, les forces qui perturbent leur mouvement sont d'origine électromagnétique. Deux particules de même charge s'approchant l'une de l'autre, soumises à une force de répulsion mutuelle, sont déviées (processus appelé diffusion). L'explication classique de la diffusion est qu'il y a un transfert continu d'énergie et d'impulsion entre les deux particules via le champ électromagnétique et ce transfert est cause de la déviation des trajectoires. La description quantique de ce processus ne peut pas faire appel à de tels concepts, car les particules quantiques comme les électrons ne suivent pas des trajectoires bien définies et la propagation d'énergie et d'impulsion doit être décrite en termes d'échanges de photons. (…) Des particules de charges opposées s'attirent également en échangeant un photon. La force de répulsion (ou d'attraction) entre des particules chargées peut se calculer comme un effet du transfert de photons virtuels entre elles.

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.
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.
(…) Pourquoi les autres forces de la nature ne seraient-elles pas décrites de la même façon ? Yukawa fit dès 1935 une première tentative ne ce sens, pour décrire la force nucléaire forte. (…) Nous avons expliqué que l'échange d'un photon virtuel conduit à une force entre particules chargées électriquement. Yukawa suggéra que tout proton ou neutron était entouré d'un nouveau type de champ, auquel il se couple via une « charge nucléaire », tout comme un électron se couple au champ électromagnétique via une charge électrique. Ce nouveau champ a des quanta d'excitation (des particules virtuelles) analogues aux photons, et l'échange de ces particules virtuelles entre neutrons et protons engendre une force attractive. (…) Opérant par quanta virtuels, l'interaction entre deux particules ne peut avoir lieu au-delà de la distance maximale que peuvent parcourir ces quanta. Ces limites sont fixées par les inégalités d'Heisenberg qui disent qu'un quantum d'énergie E a une durée de vie h (constante de Planck) divisé par deux fois pi fois E et peut donc parcourir une distance c fois plus grande (c étant la vitesse de la lumière) avant d'être absorbé. Dans le cas électromagnétique, l'énergie E peut être aussi faible que l'on veut : il suffit de considérer des photons virtuels de très basse fréquence. C'est pour cela que la force électromagnétique a une très grande portée, l'énergie de l'interaction diminuant comme l'inverse de la distance, et la force comme l'inverse du carré de la distance. Pour obtenir une force de courte portée, Yukawa supposa que les quanta du nouveau champ nucléaire avaient une masse m. De cette façon, l'énergie E à emprunter pour créer un quantum virtuel est au moins égale à mc², et le principe d'incertitude ne permet pas à ce dernier d'exister plus d'un temps de h divisé par deux pi fois mc² avant d'être réabsorbé. (…) La portée de la force est à peu près h divisé par deux pi fois mc. (…) La masse doit être environ trois cent fois la masse de l'électron. Les quanta du champ nucléaire furent appelés des mésons. Plus tard on les appelé mésons pi ou pions. (…) Les particules chargées électriquement sont entourées d'un nuage de photons virtuels. De même, les protons et les neutrons sont entourés d'un nuage de mésons virtuels, dont certains portent une charge électrique. La preuve directe de l'existence de ce nuage vient de la diffusion d'électrons (insensibles à la force nucléaire) sur les mésons virtuels chargés par interaction électromagnétique. Cet essaim tourbillonnant de charges électriques crée un champ magnétique. La théorie de quarks complète aujourd'hui cette explication. (…) La durée de vie du neutron, de l'ordre du quart d'heure, est extrêmement longue selon les standards nucléaires, ce qui signifie qu'elle est l'œuvre d'une force très faible. La quatrième force connue de la nature est donc appelée l'interaction faible, par opposition à l'interaction forte. (…) Un neutron et un antineutrino pénètrent dans une région d'interaction très localisée et en émergent sous la forme d'un proton et d'un électron. (…) Yukawa suggère que cette transmutation est due à l'échange d'un nouveau type de particule messagère (quantum virtuel d'un champ) appelé W. (…) On annonça début 1983 la découverte du W, avec une masse environ 80 fois supérieure à celle du proton. (…) Nous avons dit que le pion était instable et se désintégrait. Le principal mode de désintégration des pions est sous forme d'un muon (ou d'un antimuon) plus un neutrino ou un antineutrino. (…) En fait, le muon a été découvert avant le pion en 1937. (…) Le muon lui-même est instable en un électron ou un positron plus un neutrino et un antineutrino. (…) Des particules comme le pion se désintègrent au bout d'un temps très court. Le pion zéro par exemple se désintègre en moins d'un dix-millionième de milliardième de seconde. (…) A comparer avec le temps mis par la lumière pour traverser un proton ou un neutron : un milliard de fois moins que cette durée. (…) La base de la théorie des quarks est très simple :il faut trois quarks pour former un baryon, soit un quark s'unit à un antiquark pour former un méson. (…) Il existe six sortes de quarks (on dit six saveurs) : u, s, d, c, t, et b). (…) La formation et la désintégration des particules s'expriment en termes de quarks. Dans la désintégration du neutron, un quark d est remplacé par un quark, ce qui fait que udd donne uud, soit un neutron se transforme en un proton plus un positron et un antineutrino. (…) Si les quarks sont liés, il doit bien y avoir une force qui les attire les uns vers les autres, une force extrêmement forte. L'interaction entre quarks et entre nucléons est appelée la force forte. (…) les quarks existent sous trois formes différentes qu'on a appelé couleurs : rouge, vert et bleu. (…) La théorie qui incorpore toutes ces caractéristiques de la force entre quarks est la Chromodynamique quantique ou QCD. (…) Nous avons expliqué que la charge d'un électron polarise le vide en attirant les positrons virtuels et en repoussant les électrons virtuels dans l'espace autour de lui. Cela écrante sa charge, diminuant la force effective ressentie à distance. Un effet semblable de polarisation se passe autour d'un quark, mais cette fois il met en jeu la couleur au lieu de la charge électrique. La charge de couleur d'un quark attire les antiquarks virtuels de l'anticouleur appropriée. Le vide contient aussi des gluons virtuels, qui participent aussi à la polarisation puisqu'ils sont colorés, mais leur effet est au contraire de renforcer la charge de couleur au lieu de l'écranter. Les gluons l'emportent sur les quarks, et le résultat net est que la charge effective de couleur augmente au lieu de diminuer. Pour deux quarks très proches, l'effet anti-écran est évité, expliquant le confinement des quarks.

Les physiciens pensent que le vide peut être rempli de paires de particules « virtuelles », comme des électrons et des positrons, qui se créent et s'annihilent rapidement ensuite[78]. La combinaison de la variation d'énergie nécessitée pour créer ces particules, et du temps pendant lequel elles existent reste en-dessous du seuil de détectabilité exprimé par le principe d'incertitude de Heisenberg. Pratiquement, l'énergie demandée pour créer les particules, , peut être « empruntée » au vide pour une durée, dans la mesure où le produit n'est pas plus grand que la constante de Planck réduite ħ ≈ 6,6×10-16 eVs. Donc pour une paire électron-positron virtuelle, est au plus de 6,6×10-22 s[79].
Tandis qu'une paire virtuelle électron-positron subsiste, la force coulombienne du champ électrique ambiant entourant un électron fait que le positron est attiré par ce dernier, tandis que l'électron de la paire est repoussé. Ceci provoque ce que l'on appelle polarisation du vide. En fait, le vide se comporte comme un milieu ayant une permittivité diélectrique supérieure à l'unité. Donc la charge effective d'un électron est plus faible que sa valeur nominale, et la charge diminue quand la distance à l'électron augmente. Cette polarisation a été confirmée expérimentalement en 1997 en utilisant l'accélérateur de particules japonais TRISTAN. Les particules virtuelles provoquent un effet de masquage comparable pour la masse de l'électron.

L'interaction avec des particules virtuelles explique aussi la légère déviation (environ 0,1%) entre le moment magnétique intrinsèque de l'électron et le magnéton de Bohr (le moment magnétique anomal). La précision extraordinaire de l'accord entre cette différence prévue par la théorie et la valeur déterminée par l'expérience est considérée comme une des grandes réussites de l'électrodynamique quantique.

En physique classique, le moment angulaire et le moment magnétique d'un objet dépendent de ses dimensions physiques. Il paraît donc incohérent de concevoir un électron sans dimensions possédant ces propriétés. Le paradoxe apparent peut être expliqué par la formation de photons virtuels dans le champ électrique engendré par l'électron. Ces photons font se déplacer l'électron de façon saccadée (ce qui s'appelle Zitterbewegung en allemand, ou mouvement de tremblement) qui résulte en un mouvement circulaire avec une précession. Ce mouvement produit à la fois le spin et le moment magnétique de l'électron. Dans les atomes, cette création de photons virtuels explique le décalage de Lamb (Lamb shift) observé dans les raies spectrales.

En électrodynamique quantique, l'interaction électromagnétique entre particules est transmise par des photons. Un électron isolé, qui ne subit pas d'accélération, ne peut pas émettre ni absorber un photon réel : ceci violerait la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. Par contre, des photons virtuels peuvent tranférer de la quantité de mouvement entre deux particules chargées. C'est cet échange de photons virtuels qui, en particulier, engendre la force de Coulomb. Une émission d'énergie peut avoir lieu quand un électron en mouvement est défléchi par une particule chargée, comme un proton. L'accélération de l'électron résulte en émission de rayonnement continu de freinage (Bremsstrahlung en allemand). Une courbe montre le mouvement de l'électron ; un point rouge montre le noyau, et une ligne ondulée le photon émis Ici, le bremsstrahlung est produit par un électron e défléchi par le champ électrique d'un noyau atomique. Le changement d'énergie E2 — E1 détermine la fréquence f du photon émis. »

Maurice Jacob, dans « Au cœur de la matière » :

« L'interaction électromagnétique correspond à l'échange de photons qui se couplent aux particules chargées en fonction de la charge électrique, quelle que soit celle qui la porte… Prenons un électron absorbant un photon. Nous sommes déjà assez familiers avec les mécanismes quantiques pour savoir que 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… 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… Il se trouve que, dans le calcul quantique, l'effet principal peut être conçu comme la transformation du photon en une paire électron-positron, qu'il réabsorbe avant l'interaction. C'est le terme dominant de l'effet d'écran. »

Physique atomique et moléculaire, leçon inaugurale de Claude Cohen-Tannoudji

Processus d'interaction entre photons et atomes

Au cœur de la matière de Maurice Jacob

Est-ce que la Physique étudie une réalité objective ou seulement une interaction objet/observateur ?

Robert Paris — 2021-10-20T22:05:00Z

Est-ce que la Physique étudie une réalité objective ou seulement une interaction objet/observateur ?

Avant la Physique quantique, c'est-à-dire avant les années 1900, la réponse allait de soi : la physique étudie la réalité et son but est de décrire le mode d'action de la matière et de la lumière. Certes, elle le fait en utilisant le langage particulier des mathématiques mais son but est clairement la connaissance d'un monde objectif qui existe indépendamment de l'observateur et que ce dernier n'influence pas par son observation. Comme aurait dit Einstein, je veux croire que la lune existe même quand je ne l'observe pas et de la même manière que si je ne l'observe pas.

D'ailleurs, pour ce type là d'observation, les physiciens sont toujours d'accord que l'on peut croire dans une réalité objective et dans le fait que la lune n'est pas affectée par notre observation. Les plus durs des physiciens agnostiques diraient que « tout se passe comme si la lune existait objectivement mais rien ne le prouve directement à part nos sens qui peuvent toujours être trompés. »

Et ces physiciens se fondent sur la physique qui s'est développée à partir de l'étude du monde microscopique, matériel comme lumineux. Car cette étude a au moins montré que nos sens nous trompaient sur bien des points. Non seulement, la « réalité » n'est plus apparue de la même manière depuis les développements de la physique quantique mais il est apparu des expériences dans lesquelles c'est le choix de l'observation qui guide le type de réponse de la matière. En simple, on peut dire que, si on met en place un appareillage pour détecter des ondes, on trouve que « la matière, c'est des ondes » et que, si on met en place un appareillage pour détecter des corpuscules, on trouve que « la matière, c'est des corpuscules ». Et il en va exactement de même pour la lumière. On appelle ici, en gros, « matière » tous les fermions et « lumière » tous les bosons.

En fait, avant même les développements de la physique quantique, on avait des doutes sur nos capacités à dire « ce qui se passe quand ».

Ainsi, un rayon lumineux change de direction en traversant en oblique un nouveau milieu. C'est la réfraction. Il est assez difficile de concevoir un tel comportement si on considère que la lumière est portée par des corpuscules. Cela est plus facile si on la considère comme portée par des ondes. Dans le cas de la réflexion d'un rayon lumineux par un miroir, c'est le même problème : difficile d'interpréter ce qui arrive aux corpuscules pour qu'ils entrent un tout petit peu dans le miroir avant d'être réfléchis…

Voici donc des expériences qui nous disent, semble-t-il, que la lumière, c'est des ondes.

Mais l'arrachement des électrons d'un corps par la lumière nous disent exactement l'inverse.

Mais, en physique quantique, il existe des expériences, comme celle des fentes de Young, où ce type de situation, où c'est la manière dont on mèle l'expérience qui décide, onde ou corpuscule, est encore plus marqué.

Notamment, on peut remarquer, dans cette expérience de Young qui met en évidence à la fois le caractère ondulatoire et le caractère corpusculaire de la matière (ou de la lumière), qu'en changeant les conditions de l'expérience, on va favoriser une réponse ou l'autre. La réception des particules sur les écrans indiquent par exemple le caractère corpusculaire (localisé, ponctuel, discontinu) et la répartition des arrivées multiples sur un grand écran indique des interférences, c'est-à-dire le caractère ondulatoire. Si on cherche à savoir ce qui se passe à l'une des fentes, et donc à vérifier qu'un corpuscule y est bien passé, alors les interférences cessent.

Et ce n'est qu'un exemple d'expérience de type quantique. Tous les phénomènes quantiques montrent ce caractère double, à la fois ondulatoire et corpusculaire et tous vont favoriser l'un des caractère si l'expérimentateur cherche à le faire apparaitre.

Un autre aspect troublant de la physique quantique dans sa version de Copenhague : elle semble ne donner que des résultats probabilistes sans donner la physique sous-jacente. Un peu comme une thermodynamique ou une dynamique des fluides sans la physique des molécules… C'est ce qui amenait Einstein à discuter avec la physique de Copenhague en réclamant « la physique sous-jacente ».

Bien des physiciens-philosophes en ont déduit soit une philosophie agnostique (« je ne peux pas connaitre la réalité »), soit une philosophie idéaliste (« ma pensée détermine la réalité que je perçois »), soit une philosophie positiviste (« je me contente de décrire le résultat de mes expériences, je n'ai pas à philosopher plus avant sur une réalité hypothétique et je n'ai pas de moyens de trancher sur son existence ou son inexistence, ou sur son fonctionnement, sans tomber dans la métaphysique »).

Plusieurs types de physiciens-philosophes se sont opposés à ces points de vue, tout en convenant que la physique quantique était une avancée de la science. Ils défendaient une conception réaliste ou matérialiste, en tout cas la pensée qu'existe une réalité objective et que le but des sciences est de la connaitre et aussi la pensée qu'il n'y a aucun obstacle absolu à la connaissance de la réalité et de son fonctionnement.

L'école de Copenhague de la Physique a longtemps fait dominer le point de vue inverse : pas de connaissance de la réalité, seulement des descriptions d'expériences dans des conditions déterminées et pas de philosophie du réel tirée de la physique.

Einstein a longuement défendu une thèse inverse, celle du réalisme. Il a seulement affaibli la position de l'école de Copenhague mais sans remettre en question les découvertes du caractère quantique de la matière/lumière, c'est-à-dire les particularités du niveau quantique (un quanta ou un petit nombre de quanta au niveau microscopique) qui le rendent étonnant par rapport à notre monde habituel (un très grand nombre de quanta, au niveau dit macroscopique).

Cela ne signifie pas que le point de vue de l'école de Copenhague l'ait réellement emporté et nombre de physiciens ne le pensent pas. C'est l'interprétation de la signification des expériences, comme celle de Young ou des expériences de pensée comme celle des EPR ou du chat de Schrödinger qui est en cause.

D'autre part, ce qui a changé la donne, c'est l'étude quantique du vide et cela permet d'interpréter de manière réaliste (avec une réalité de ce que l'on croyait uniquement virtuel) : par les particules et antiparticules éphémères du vide que l'on disait « virtuelles ». Ces dernières s'avèrent non seulement réelles mais la véritable réalité fondamentale du monde matière/lumière. Et elles expliquent les phénomènes quantiques les plus étonnants et renversants. A commencer par le caractère double des particules : à la fois onde et corpuscule. Elle explique que le changement des types d'expériences donne des réponses différentes : quand on interroge la matière/lumière avec des capteurs de corpuscule, on les trouve et quand on cherche les moyens de détecter des ondes, on les trouve également.

En effet, le vide quantique n'est pas vide. Il est plein de particules dites virtuelles qui ont la capacité d'apparaitre et de disparaitre. Elles ont la propriété d'être éphémères et de ne pas être perceptibles directement par nos expériences parce qu'elles existent à un niveau de structure de la matière inférieure.

Mais, direz-vous, si elles ne sont pas perceptibles, elles n'ont pas de réalité objective ?

Eh bien, il ne nous semble pas que la réalité objective doive dépendre des sens humains ou même des expériences humaines mais de la vaste expérience que représente le monde matériel (au sens large, comprenant matière, lumière et vide quantique).

La matière (microscopique) se perçoit elle-même et perçoit la lumière sans passer par des expériences mises en place par l'homme et qui sont à une grande échelle (macroscopique).

Le fonctionnement microscopique que nous pouvons imaginer (physique quantique des champs de type corpusculaire) doit expliquer les phénomènes qui se déroulent dans les expériences par un fonctionnement que les expériences humaines ne peuvent pas réaliser.

A lire sur cette question

Le monde matériel existe-t-il objectivement, en dehors de nos pensées ?

La thèse de l'école de Copenhague

Le point de vue réaliste d'Einstein

Physique, positivisme et agnosticisme

Physique et réalité

Réalité du monde virtuel du vide

Un exemple : les fentes de Young

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