Matière et Révolution

Quel lien entre espace, temps, matière, lumière et vide quantique ?

Robert Paris — 2022-06-10T22:05:00Z

Quel lien entre espace, temps, matière, lumière et vide quantique ?

On a longtemps cru que la masse était une caractéristique fondamentale de la matière.

Mais on constate que la masse n'est pas constante et qu'elle n'est qu'une propriété qui saute d'une particule à une autre, d'une particule virtuelle du vide à l'autre.

Qu'est-ce qui est fondamental et ne change pas ?

La charge !

Voici ce qu'en dit le physicien quantique Mark Silverman dans "And Yet it moves" (et pourtant elle bouge)

"La conservation de la charge électrique est l'une des lois de conservation les plus strictement observée. A ma connaissance, aucune violation de cette loi n'a été observée. (...) La conservation de la charge est un phénomène local."
Quel lien ?

On pourrait se contenter valablement de répondre : on ne sait pas. Et ce serait vrai. Mais on doit également reconnaître que les réflexions de la science ont avancé dans ce domaine et porter à la connaissance de tout le monde les réflexions que l'on peut faire, c'est cela qui permet de philosopher sur la nature…

Quelles idées sont déterminantes sur la question posée ?

Nous estimons que ce sont les idées dialectiques d'ordre issu du désordre, de rupture de symétrie (ou symétrie brisée), de réel-virtuel et de virtuel-réel et de couplage matière-antimatière.

Que veut-on dire par là ?

Que le fondement d'un monde est dans ses contradictions et dans la lutte entre ses opposés menant à une rupture où l'un l'emporte finalement.

Lorsque l'on vit dans un monde où une rupture de symétrie a été opérée, on ne voit plus qu'un seul côté des choses qui autrefois s'opposaient. Du coup, on a du mal à comprendre d'où elle sont issues.

Ainsi, le monde matériel semble dirigé par des caractéristiques positives : énergie positive de la matière, écoulement positif du temps, distances positives d'espace et quantités positives des masses. Connaissons-nous des espaces, des temps, des masses, des énergies négatives à notre échelle dite macroscopique ? Non.

C'est un effort intellectuel important d'imaginer que notre univers aurait une base fondée sur une contradiction dans laquelle cette positivité ne serait pas à la racine des choses…

Mais la physique a été contrainte d'aller dans ce sens car elle a échoué à construire une interprétation de la réalité fondée sur le déplacement de masses dans l'espace et le temps. Elle a été contrainte de fonder, au contraire, ces quantités positives sur un univers dans lequel le positif et le négatif se contredisaient et se répondaient sans cesse : le vide quantique.

On a longtemps cru trouver le fondement dans la particule de masse du type électron ou proton caractérisée par une masse au repos fixe et positive.

Mais la quantité fondamentale de la matière ne s'est pas trouvée être la masse, le temps, l'espace ou l'énergie positive mais la charge de la particule.

Dialectiquement, ce n'est pas étonnant que le fondement vienne d'un domaine où deux contraires sont face à face et se combattent sans cesse : charge positive et négative. Dialectiquement, il n'est pas étonnant qu'un monde où un des pôles s'impose soit issu d'un autre où les deux se contestent sans cesse la primauté. Que l'ordre de la matière soit fondée par le désordre des interactions. Que la matière soit fondée sur le vide. Et que le vide soit, en un certain sens, matériel.

D'autre part, il y a bien des raisons de fonder la réalité sur la charge plutôt que sur les autres quantités précédemment citées. C'est que leur constance n'est pas vérifiée. La masse se modifie du fait du mouvement, l'espace et le temps aussi sont modifiés par la présence ou non des masses. De l'énergie peut apparaître et disparaître. Par contre, la quantité de charge est constante et localement définie. Aucune expérience n'a souligné une rupture dans cette loi de conservation de la charge.

Elle est vérifiée dans le vide comme dans la matière, et à toutes les échelles.

Voilà quelques première raisons d'en faire le fondement qui relie matière, lumière, vide, espace, temps.

Commençons par le vide.

On sait que la question que nous posons ici est du domaine de la physique quantique relativiste. Cela signifie que le vide est plein de particules et d'antiparticules fugitives dont le temps d'existence est trop bref pour être directement perçues par une expérience fondée à notre échelle, macroscopique. Cependant ces particules existent bel et bien. Ce ne sont pas des artifices de calcul. On ne voit pas le virtuel mais on ne voit pas non plus l'atome et encore moins, si l'on peut dire, les quanta d'action. Mais ils existent. Ce que l'on voit est surtout une illusion d'optique…

Or, dans le vide quantique, nous sommes amenés par les expériences à conclure qu'on trouve des couples de particule et d'antiparticule, c'est-à-dire des quantités de charge égales et opposées sans cesse couplées. Ces couples apparaissent et disparaissent ensemble. Pas de particule qui apparaisse sans son anti-particule. Ils définissent des temps qui sont des grains égaux et opposés. Le temps n'apparaît pas, dans le vide, comme un écoulement continu positif – celui que l'on appelle « la flèche du temps- mais comme des quanta à la fois positifs et négatifs désordonnés parce qu'ils apparaissent et disparaissent. Du coup, d'où va venir le monde matériel que nous connaissons, avec ses masses positives, ses énergies positives, ses espaces et écoulements de temps, toujours positifs, avec son ordre ? Eh bien, il n'est pas à l'origine du monde ! C'est le désordre de l'opposition du positif et du négatif qui l'a fait émerger… C'est le vide qui oppose sans cesse les contraires du virtuel – les couples particule et antiparticule – qui va produire et reproduire la matière, l'espace, le temps, l'énergie. Ce sont des éléments virtuels qui fondent le réel. Les couples virtuels fondent des photons ou particules d'interaction. La particule dite réelle est entourée par un nuage de particules et d'antiparticules virtuelle en pleine agitation fondée sur les interactions de charges positives et négatives de ces couples. Elles lui donnent sa position : qui saute sans cesse d'une particule à une autre du nuage de polarisation. Elles lui déterminent la direction de son mouvement et ce que l'on appelle la vitesse (à ne pas concevoir comme mouvement cinématique) en définissant des distances par des photons et des temps par des photons virtuels.

Mark Silverman dans « And yet it moves » (Et pourtant il bouge) :

« Does an atomic electron move ? How would one know ? Would an anti-atom fall upward ? Is the vacuum really empty ? (...) Can a particle be influenced by an electric or magnetic field that isn't there – that is, through which it does not pass ? How is it possible for randomly emitted particles to arrive preferentially in pairs at a detector – or, conversely, to avoid one another altogether ? Could watching atoms emit light in London have an effect on the corresponding radiative decay in New York ? Does a “right-handed” light beam interact differentlywith matter than a “left-handed” light beam ? How can light get brighter by rebounding from a surface (without violating the conservation of energy) ? Is a basketball changed for having been turned 360° ? Perhaps not, but what about an electron ? Could one tell the difference between an electron that has never jumped out of a quantum state and then back again and an electron that has never jumped at all ? Is there really such a thing as a “Maxwell demon” ? No ? – then how is one to account for a simple hollow tube that blows hot air out one end and cold air out the other ? »

« Est-ce que l'électron est en mouvement ? Comment le savoir ? Est-ce qu'un anti-atome tombe vers le haut ? Est-ce que le vide est réellement vide ? (…) Une particule peut-elle être influencée par un champ électrique ou magnétique – qui n'est pas présent – c'est-à-dire qu'elle ne traverse pas ? Comment est-il possible que des particules émises aléatoirement arrivent préférentiellement par pairs sur un détecteur – ou, au contraire, parviennent à s'éviter ? Se peut-il qu'en observant de la lumière à Londres, cela ait un effet sur la radiation correspondante à New York ? Est-ce que le rayonnement polarisé à gauche interagit différemment sur la matière que le rayonnement polarisé à droite ? Comment la lumière peut-elle être plus brillante en rebondissant sur une surface (sans violation de la loi de conservation de l'énergie) ? Est-ce qu'une balle de basket change en tournant de 360° ? Probablement que non, mais que dire de l'électron ? Quelqu'un peut-il nous dire la différence entre un électron qui a subi un saut quantique avant de revenir à son état d'origine et celui qui n'a pas subi un tel saut quantique ? Y a-t-il réellement quelque chose comme un « démon de Maxwell » ? Non ? – alors comment expliquer qu'un tube puisse souffler d'un côté de l'air chaud et de l'autre de l'air froid. »

Que signifie le phénomène des deux fentes de Young, cette fameuse expérience fondatrice de la physique quantique et qui a particulièrement justifié la notion de dualité onde/corpuscule ? Supposons que du sable coule par un trou dans une plaque et s'entasse en dessous, que trouvera-t-on ? Un petit tas et de moins en moins de sable quand on s'éloigne de la verticale du trou. Et si le sable passe par deux trous ? Eh bien, il s'il y a deux trous, il y aura deux petits tas. S'il ne s'agit pas de sable mais d'électrons ou d'autres particules de matière ou de lumière, il n'en va pas du tout de même. Au lieu de deux tas, il y en a toute une série de tas séparés par des zones où aucune particule n'est arrivée. Cela forme des bandes successives pleines suivies de bandes vides, d'où des figures appelées franges d'interférence. On a d'abord pensé que les électrons (ou les particules émises) interféraient entre eux. Mais on a effectué l'expérience en envoyant les électrons (ou d'autres particules) un par un. Or, les particules qui arrivent sur l'écran une par une construisent progressivement les mêmes figures d'interférence. Les scientifiques ont été amenés à en déduire que chaque particule interfère avec elle-même, comme si elle était passée à la fois par les deux trous… C'est difficile (voire impossible) pour un corpuscule comme l'électron ou le photon … Les diverses expériences du type de Young ont amené les scientifiques à rejeter successivement toutes les interprétations sur la particule, qu'elles soient de type corpusculaire (comme des corpuscules ponctuels et localisés) ou ondulatoire (comme des objets non localisés produisant des interférences). Cela signifie qu'il faut aller plus loin dans la remise en question des idées reçues sur la matière et … le vide.

Tout d'abord, il est clair que quelque chose passe à la fois par les deux trous quand le corpuscule, lui, ne passe que par un seul : le vide. Mais ce vide est-il si vide ? Non, il est plein de particules et antiparticules virtuelles (fugitives qui ne durent que des temps très brefs).

Qu'entend-on par brefs ? Cela dépend de l'énergie qu'ils portent. Des paires électron - positron peuvent exister, de l'ordre de six fois dix puissance moins 22 seconde. Par contre, des photons virtuels peuvent très bien avoir une durée de vie relativement grande pourvu que leur énergie (leur fréquence) soit très faible.

Et ces particules (et antiparticules) entourent le corpuscule d'un nuage. Elles guident son déplacement. Mais ce n'est pas aussi simple, en fait, qu'un déplacement, c'est-à-dire un mouvement d'un objet qui change seulement de place mais reste la même. Mais d'abord qu'est-ce que le vide ? C'est le milieu le plus symétrique de la nature. Dans ce milieu, dès qu'apparaît une particule, une antiparticule apparaît avec elle et elles restent couplées. Leurs caractéristiques sont égales et opposées et elles disparaissent en même temps dans un intervalle trop court pour être mesuré à notre échelle, celle de la matière dite durable. Il y a effectivement plusieurs niveaux de la matière qui se différencient par bien d'autres choses que la durée. Il y a le niveau des relations interstellaires. Il y a celui de la matière que nous examinons tous les jours, appelé le niveau macroscopique. Il y a encore le niveau de l'électron par exemple appelé niveau microscopique ou quantique. Il y a enfin le (ou les) niveau du vide….

Et, à chaque niveau qui est en interaction avec les autres, il y a des lois différentes. Par exemple, on ne constate pas, au niveau interstellaire, les mêmes lois de la matière, ce qui explique que, pour expliquer les galaxies et les amas de galaxies, on soit à la recherche de « matière noire » et d' »énergie noire » ou encore que l'on observe à ce niveau l'existence de « trous noirs » que nous ne constatons jamais à notre échelle. La physique quantique a découvert, elle, le saut entre la physique de la matière à notre échelle (dite macroscopique) et celle des particules (échelle dite microscopique). Par exemple, si on essaie de suivre un électron, on constate qu'il ne suit pas une trajectoire, une courbe continue, contrairement à un objet comme une balle. On constate également d'autres sauts dits quantiques entre les états, sans passage par des états intermédiaires, ce auquel nous ne sommes pas habitués à notre échelle. Au niveau du vide quantique, il y a également des lois qui diffèrent. Le temps y est désordonné. Les particules ne sont pas durables. La conservation de l'énergie n'est plus vérifiée, comme, au niveau microscopique les lois de la matière ne permettent plus de définir une position et une vitesse. Le vide est, lui aussi, fondé sur des quanta. Au niveau macroscopique, on pouvait penser que la matière était fondée sur une organisation des masses (un objet étant une somme de molécules, une molécule une somme d'atomes et un atome étant constitué par l'addition de particules de masses fixes : neutrons, protons et électrons). La loi semblait celle de la conservation de la masse. Au niveau microscopique, on constate que les masses peuvent se transformer en énergie et inversement. La loi semble celle de la conservation de l'énergie. Au niveau du vide quantique, la loi n'est plus celle de la conservation de l'énergie puisque de l'énergie en grande quantité peut sans cesse apparaître et disparaître. Le temps du vide existe aussi dans les deux sens (un quanta de temps dans un sens pour la particule et un, égal et opposé, dans l'autre sens pour l'antiparticule, alors que le temps semblait s'écouler dans un seul sens au niveau macroscopique et dans aucun sens au niveau microscopique.

L'unité du monde semble bel et bien compromise. Mais, en fait, chaque niveau, est sans cesse en interaction avec les autres et les uns ont émergé des autres. Chaque niveau agit comme un contraire dialectique d'un autre, ce qui n'est nullement inattendu en physique. La matière manifeste, en effet, de nombreux effets de dualité des contraires inséparables. Mis à part le plus fameux de la physique quantique, la dualité onde/particule, celle entre matière et lumière, entre particule et antiparticule, il y a encore celle entre effet électrique et magnétique, ou encore, dans le domaine de l'optique la dualité réfraction/réflexion. Nous en venons donc à la dualité entre matière durable et fugitive, encore des contraires qui existent dans des situations où ils sont inséparables et interpénétrés. Une particule dite réelle (c'est-à-dire durable) ne peut exister que si elle est entourée de particules et antiparticules virtuelles (le nuage de polarisation) qui lui servent à s'orienter dans l'espace-temps (elles sont plus exactement son espace-temps) et elles-mêmes sont en relation avec le vide qui entoure le nuage. La particule n'est pas seulement le corpuscule mais aussi toutes ces couches en oignon successivement chargées positivement et négativement. Le caractère organisé de la matière commence dans le nuage de polarisation alors que le vide est désordonné (donc symétrique). Mais un des points essentiels à souligner c'est que la particule reçoit ainsi sans cesse de l'énergie du vide.

D'autre part, on a remarqué qu'elle n'est pas un objet mais une structure émergente. La particule réelle n'est pas toujours la même. Elle est une propriété qui saute d'une particule virtuelle à une autre, la rendant ainsi réelle provisoirement.
Structure émergente qui se conserve grâce à un apport permanent d'énergie extérieure, la particule de matière comme l'électron, le muon ou le quark, est une structure dissipative au sens de Prigogine. Ordre issu du désordre du vide, ka matière est un chaos déterministe.

Comment sont fondés ces différents niveaux de la matière et de l'univers : interstellaire, macroscopique, microscopique et les différents niveaux du vide ?

La réponse réside dans le niveau de relation entre énergie et temps. On se souvient qu'une telle relation définit un quanta égale à une énergie fois un temps. Qu'est-ce qui fonde la différence une particule dite réelle par rapport à une particule dite virtuelle (ayant un court temps d'existence) ? C'est la quantité d'énergie reçue par rapport au temps de cette réception. Si cette quantité est suffisante, alors la particule virtuelle devient réelle. Il n'y a donc pas d'opposition ou de différence de nature fondamentale entre les deux. Le virtuel peut devenir réel et le réel peut devenir virtuel. Les niveaux macroscopique, microscopique et vide sont séparés par la valeur du produit énergie et temps comparé à la constante de Planck. Dans le macroscopique, le produit énergie et temps est très inférieur à cette constante h. C'est ce que l'on appelle les inégalités d'Heisenberg. Il ne s'agit pas d'une incertitude du réel mais d'une loi fondant un niveau hiérarchique de la nature.

Si le produit d'une énergie et d'un temps est inférieur à un quanta h de Planck, on est au niveau virtuel. C'est un domaine où on peut accéder à une très grande énergie à condition que ce soit dans un temps très court, dit virtuel. Si ce produit est un petit nombre de quanta h de Planck, on est au niveau microscopique. Si c'est un grand nombre par rapport à la constante h de Planck, on est au niveau macroscopique. Mais, comme on l'a dit, ces domaines ne sont pas indépendants et séparés. Au contraire, le réel n'existe qu'entouré de virtuel en interaction constante avec le vide qui l'entoure.

Quant au niveau interstellaire, il interagit aussi de manière fondamentale. En effet, c'est aux limites des bulles géantes du vide interstellaire que naît la matière, de la pression entre deux bulles de vide en expansion. L'expansion n'est pas une propriété qui a trait à l'univers comme un tout. Elle concerne chaque bulle. Les différents niveaux de la matière interagissent ainsi sans cesse.

Mais revenons d'abord aux relations du virtuel et du réel. Car c'est bel et bien le vide (le fugitif dit virtuel) qui fonde la matière (le durable dit réel). Le nuage de polarisation qui entoure l'électron est constitué d'éléments d'un monde inférieur, celui issu du vide qui est le monde des particules virtuelles caractérisées par deux propriétés liées entre elles : pas de masse et pas d'espace-temps tel que nous le connaissons à notre échelle macroscopique ni tel qu'il existe (localement) dans l'environnement d'une masse. Ces particules sont électrisées positivement ou négativement et s'ordonnent dynamiquement autour de l'électron par couches positives et négatives alternativement, écrantant ainsi le champ de la charge électrique à proximité de l'électron. Cela explique qu'aucune charge électrique ne peut s'approcher au point de toucher l'électron. Il y a toujours des couches de particules virtuelles entre deux particules « réelles ». Rappelons une fois de plus que les particules dites virtuelles sont tout aussi réelles que celles dites réelles mais sont situées à un autre niveau de réalité. Elles ne sont pas les seules puisqu'existent à un niveau encore inférieur le « virtuel de virtuel ». Ainsi deux particules virtuelles sont elles-mêmes entourées, à un niveau hiérarchique inférieur, de particules électrisées. Ces mondes ne sont pas seulement emboités. Les niveaux sont interactifs. Et même plus puisque chaque niveau émerge du niveau inférieur. Les particules « réelles » sont des structures portées par des particules virtuelles qui reçoivent un boson de Higgs. Lorsque la particule virtuelle devient porteuse de masse, elle construit autour d'elle un champ d'espace-temps, elle structure l'espace-temps désordonné du niveau virtuel.

Le nuage de polarisation tourne du fait du magnétisme par l'action du mouvement de l'électron. C'est ce que l'on appelle le spin de l'électron. Mais les couches positives et négatives ne tournent pas de la même manière, car l'électron est chargé négativement. Cela explique qu'il faille de tour pour revenir à la situation de départ, ce que l'on appelle un spin ½.

Le spin est lié à une rotation mais laquelle ? Il ne s'agit pas de celle du corpuscule, ni d'un moment de rotation mécanique. Cela ne permettrait pas la stabilité de la particule ou bien il s'agirait de vitesses supérieures à celle de la lumière. La meilleure preuve qu'il s'agit bien d'un phénomène virtuel du vide, qu'il implique des dipôles particule/antiparticule, est que ce moment angulaire a un coefficient de proportionnalité double de celui de la mécanique classique. Ce que l'on exprime par un spin ½ et pas 1 contrairement au photon.

Comment comprendre une rotation qui serait un mouvement mécanique qui serait quantifié ? Il ne peut s'agir à proprement parler d'un mouvement, pas plus que pour les autres types de sauts quantiques. Par exemple, quand la particule passe d'une couche à une autre sans passer par des étapes intermédiaires. Ces états discontinus ne peuvent être parcourus comme un simple mouvement. Il s'agit encore une fois du déplacement d'une propriété et non d'un objet. Le caractère extrêmement rapide du changement en atteste également. Un phénomène émergeant du vide et non un objet peut parfaitement se déplacer plus vite que la lumière, de manière quasi instantanée même.

La charge de l'électron est ponctuelle. Sa masse est ponctuelle. Pourtant, les expériences montrent également qu'elles ne sont jamais exactement au même endroit, d'où des propriétés de rotations internes de la structure électron. Cette différence provient du fait que le saut de l'électron ne produit pas la même réaction aux diverses échelles d'espace-temps. La masse bouge plus lentement que les bosons. Elle met plus de temps pour se déplacer. Elle va donc moins loin. Cela produit plusieurs mouvements différents. Le nuage de positions de la charge est beaucoup plus ample que celui de la masse : le rapport appelé « constante de structure fine » est le rapport d'échelle des différents mondes hiérarchiques emboîtés est donc aussi le rapport entre les temps ou les distances. C'est donc aussi le rapport entre les différents « rayons de l'électron ». Alors que la masse semble trembloter autour de positions, la charge s'étend sur toute une zone.

Le vide est agité et n'atteint jamais un équilibre malgré les interactions électromagnétiques entre particules et antiparticules car celles-ci apparaissent et disparaissent changeant sans cesse la configuration du vide. C'est cette agitation permanente qui explique que la matière à un niveau inférieur présente un caractère probabiliste et non prédictible. Le fait que la particule (cette propriété structurelle et non un objet) saute sans cesse d'une particule virtuelle à une autre donne aussi ce caractère flou à la description de la particule, ce caractère tremblé de la position de l'électron par exemple.

Revenons maintenant à notre point de départ : à l'interprétation de l'expérience des deux fentes de Young qui a perturbé tout le monde des physiciens à plus d'un titre mais d'abord du fait que les électrons qui passaient par l'une des deux fentes étaient captés par des écrans comme des corpuscules et que les positions où on les trouvait étaient réparties sur des bandes d'interférence, c'est-à-dire qui se comportaient en même temps comme des ondes qui interfèrent tantôt constructivement, tantôt destructivement… Et, pire, ces interférences avaient lieu même si les particules, par exemple des électrons, étaient émis un par un par la source. Ils reconstruisaient progressivement les franges d'interférence ! Comment un seul électron pouvait-il avoir interféré comme s'il était passé à la fois par les deux fentes ? Voyons si nous comprenons mieux cette étrangeté du phénomène. Un électron est émis par une source. Il est entouré dans son parcours dans le vide par son nuage de polarisation. Mais qui est-il ? Cela dépend des instants. Parfois il est une particule virtuelle et parfois une autre. Si les fentes sont suffisamment proches, le nuage de polarisation va passer par les deux fentes et retrouver la particule à la sortie des fentes. Il y aura ainsi interférence du nuage avec lui-même. La taille du nuage de polarisation est de l'ordre de celle de la longueur d'onde de la particule. Le nuage de polarisation interagit avec lui-même. Il forme des figures d'interférences qui sont des structurations de l'espace de probabilité de présence de l'électron. On peut dire que le nuage de polarisation « guide » l'électron (ou la particule). C'est ainsi que vont se constituer des bandes d'interférence.

Est-ce que cela permet de comprendre les diverses expériences fondées sur l'idée de Young et notamment la destruction des interférences si on éclaire une des fentes pour savoir si l'électron y est passé ? Eclairer une des fentes, c'est faire perdre sa phase à la partie du nuage de polarisation qui y passe. Conséquence les deux parties ne sont plus successivement en phase ou en opposition de phase suivant les différences de longueur de chemin des deux parcours. Ils ont seulement des phases différentes. Est-ce que cette interprétation du vide quantique permet de comprendre aussi les expériences du type Aspect où deux corpuscules émis en même temps semblent interagir instantanément à grande distance, où toute mesure sur l'un interagit sur l'autre semblant même violer la limite de la vitesse de la lumière. Ou encore, est-ce qu'elle permet d'interpréter des expériences du type effet tunnel comme l'effet Josephson dans lequel un saut de potentiel peut se faire quasi instantanément, violant apparemment là aussi la limite de la vitesse de la lumière.

L'essentiel dans cette question est de comprendre que le vide quantique est un autre monde que le monde des particules ou le monde macroscopique en termes d'espace et de temps.

Un phénomène qui se déroule à notre échelle macroscopique obéit à un temps qui subit une flèche, c'est-à-dire que le phénomène est généralement irréversible. Au niveau des particules, on constate au contraire une apparente réversibilité des phénomènes. Au niveau du vide, le temps est désordonné. Il apparaît par couples de quantités égales et opposées. Au total, le temps local apparaît comme inchangé : aucune flèche et même aucun temps.

Tout phénomène qui est fondé sur une interaction virtuel/virtuel peut parfaitement être instantanée car le temps ne s'écoule pas dans le vide. C'est le cas pour tout ce qui concerne le spin de l'électron (ou de la particule) puisqu'on a vu précedemment que le spin est entièrement fondé sur un mécanisme du vide quantique. D'une manière générale la phase d'une particule est un phénomène virtuel. Cela explique que des particules en phase ou en opposition de phase au départ, par exemple à l'émission ou après interaction, le restent même à distance (électrons corrélés, par exemple). Le vide quantique n'obéit pas à la localité (ni du temps, ni de l'espace).

L'espace-temps que l'on constate au niveau de la matière est produit par les masses. Il est fondé sur l'espace-temps local dû au nuage de polarisation. Les couples particule/antiparticule en s'organisant autour de la particule durable construisent cette structuration de l'espace-temps. La matière durable est bel et bien un processus d'auto-organisation de l'espace-temps. L'un des éléments de ce processus est le fait que les relations particule/antiparticule nécessitent un certain rapport entre espace et temps qui est appelé « la vitesse de la lumière » qu'il ne faut pas concevoir comme une vitesse cinématique mais comme un rapport seuil d'un phénomène. On a longtemps considéré que le mouvement était ce qu'il apparaît à notre échelle, c'est-à-dire un simple déplacement sans modification d'un même objet dans un espace avec lequel il ne rétroagit pas. C'est une approximation valable pour des objets macroscopiques car les changements à petites échelles sont négligeables dans ce cas et se compensent entre eux pour un objet à notre échelle (macroscopique). Il y a des cas où ce n'est pas vrai parce que le phénomène obéit à des effets quantiques qui sont visibles à grande échelle (par exemple superfluidité ou supraconductivité). Ce n'est plus vrai du tout pour la particule (niveau microscopique dit quantique). Il n'est plus question de déplacement de type cinématique avec, à chaque instant, une position et une vitesse. Et une continuité de l'évolution point par point des uns et des autres. En fait, avec la particule, il n'y a pas déplacement d'un même objet dans un espace qui n'interagit pas avec lui. Au contraire, l'espace construit sans cesse le phénomène qu'il s'agisse d'une « particule matérielle » ou de la « lumière ». On l'a déjà vu pour la particule qui saute d'une particule virtuelle à une autre et est entourée du nuage de polarisation constituée des particules et antiparticules virtuelles. La vitesse de la lumière, aussi, n'est pas une vitesse cinématique de déplacement. Le photon, lui aussi, 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 corpuscules réels, qu'il s'agisse de photons ou de particules de masse, ne sont justement pas des objets vraiment réels, des « choses ». Ce qui est durable, c'est une structure, un phénomène et ses caractéristiques. Ce n'est pas le même corpuscule qui se contenterait de se déplacer. Le déplacement provient du fait que la propriété (et non un objet) saute d'une particule virtuelle à une autre ou d'un couple virtuel à un autre. Le fait que le phénomène dit « réel » (matière et lumière durables) soit modifié à petite échelle par les interférences du vide explique l'essentiel des étrangetés de la physique quantique.

L'une des plus remarquables étrangetés quantiques est l'effet dit Aharonov-Bohm, dans lequel un champ électromagnétique agit sur un électron qui ne traverse pas ce champ. Cela est non seulement contradictoire avec la physique classique, ce qui est quasi général aux phénomènes quantiques, mais c'est aussi parfaitement étrange pour la physique quantique, comme l'a longuement exposé Mark Silverman dans « And yet it moves » (et pourtant elle bouge). Il s'agit d'un raffinement de l'expérience des deux fentes de Young dans laquelle on place à la sortie des fentes un solénoïde. Ce dernier produit un champ magnétique à l'intérieur du solénoïde mais pas à l'extérieur. Les franges d'interférences produites par les fentes sont alors déplacées en fonction du sens de rotation du champ magnétique. Normalement, ce champ ne devrait avoir aucune action sur les électrons qui passent à côté de lui. Cela signifie que les interférences sont le produit d'effets qui n'agissent pas directement sur le corpuscule lui-même mais sur l'espace vide qui l'entoure. C'est donc bel et bien une manifestation de l'interaction du vide quantique et de l'électron. Car le vide, lui, passe parfaitement à l'intérieur du solénoïde. L'interférence a bien lieu sur le vide qui entoure l'électron.

Les manifestations des effets du virtuel qui entoure la particule sont nombreuses. Le nuage de polarisation permet d'interpréter l'écrantage de la charge électrique de la particule qui évite notamment que l'interaction de l'électron et de son champ ne soit infinie. Il permet également de comprendre que la matière ne s'entasse pas. Par exemple, deux particules de charge opposée s'attirent mais ne s'écrasent jamais une sur l'autre car les couches successives de particules et d'antiparticules virtuelles l'en empêchent. Plus deux particules se rapprochent, plus elles se repoussent. C'est également une interprétation des relations d'inégalités d'Heisenberg. Plus on agit pour cantonner une particule dans un espace restreint plus l'énergie de sortie de la particule de cet espace augmente car les particules et antiparticules virtuelles exercent un effet inverse à l'action de cantonnement.

Tout le fonctionnement des particules, et particulièrement l'interaction matière/lumière, est piloté par les interactions avec le vide quantique. Matière et lumière ont en commun d'être des formes d'organisation du vide quantique. Ils échangent des particules et antiparticules virtuelles lors des absorptions et émissions de lumière par la matière. Les étrangetés quantiques des absorptions/émissions sont liées aux étranges propriétés du virtuel.

Parmi les phénomènes dits « réels » qui sont déterminés par l'interaction avec le vide, on peut citer :
– l'émission spontanée de lumière par la matière
– la polarisation du vide par la particule
– les structures fines des bandes d'énergie des atomes
– l'émission d'une paire électron/positon par un noyau

On remarquera que ce qui se conserve sans cesse dans le vide est également ce qui se conserve à toutes les échelles de la matière, globalement comme localement. Ce n'est ni la masse, ni l'énergie, ni l'espace, ni le temps. C'est la charge électrique qui en se manifeste que dans une seule quantité, soit positive soit négative et dans ses multiples. Or la charge est une caractéristique des particules et antiparticules virtuelles qui, dans le vide quantique, apparaissent et disparaissent toujours en même quantité de charge. Et, à tous les niveaux, la charge est fixe, indépendante y compris de la vitesse, ce qui n'est pas le cas des autres variables. Cela souligne son caractère fondamental.

On a longtemps cherché le fondement de la matière dans des constances de particules durables dites élémentaires. Il n'y est probablement pas. On le trouve plutôt dans le désordre du chaos du virtuel. Le monde que nous connaissons (matière, lumière, espace, temps, masses, énergie) n'est qu'un épiphénomène d'un monde invisible qui n'est pas directement perceptible : celui du virtuel. L'ordre du vide (ses dipôles de particule et antiparticule) est sans cesse construit et détruit de manière aléatoire, empêchant toute tendance vers un équilibre. Mis à part la charge électrique, la constance n'est pas une caractéristique du vide.

La matière n'est pas fondée sur des objets fondamentaux, dits élémentaires, mais sur l'émergence de phénomènes et de seuils de leur émergence (les fameuses constantes comme la « vitesse » c, la constante d'action h ou la « masse » des particules). Ce qu'on appelle généralement mouvement n'est autre que le mode de conservation du phénomène qui se fait par sa propagation (par sauts) dans le vide.

De là, découle l'importance de l'aléatoire en physique. Il n'est pas nécessaire d'examiner des expériences d'une grande complexité pour le constater. Les simples décharges de lumière dans un néon sont aléatoires, tout autant que l'instabilité d'un noyau atomique qui émet de la radioactivité, ou encore l'émission de lumière par une source thermique, par exemple une résistance électrique. L'instant d'émission est aléatoire. En physique quantique, l'émission ou l'absorption de lumière par la matière est également aléatoire. Tous ces phénomènes font appel à l'agitation du vide – l'apparition et la disparition de couples particule/antiparticule virtuels. Dès qu'il y a interaction concernant le virtuel, l'agitation est le fondement de l'ordre.

Comme on l'a dit, le seul phénomène « particule », électron par exemple ou encore photon, est un phénomène du domaine du chaos déterministe : une structure dissipative qui émerge du désordre et est sans cesse détruite et reconstruite dans des temps très brefs. Ce temps est inversement proportionnel à l'énergie fournie. Le rapport de proportionnalité est la constante de Planck h.

Le spin de la particule est un exemple de phénomène matériel fondé sur le vide quantique et dans lequel le vide intervient avec lui-même. Des propriétés du vide découlent les multiples étrangetés des phénomènes quantiques. On a déjà cité l'expérience des spins de deux particules corrélées, du type de l'expérience d'Aspect. C'est loin d'être le seul exemple. Comment une expérience sur une deux particules peut-elle se propager en influençant à distance une expérience sur l'autre, en violant la limite de la vitesse de la lumière ? Parce que le spin concerne le virtuel qui ne connaît pas la limite c, seuil émergeant de l'organisation au sein du vide mais qui n'est pas une limite du vide. Les particules et antiparticules qui disparaissent et apparaissent dans des temps très courts amènent un temps (à la fois positif et négatif) très changeant permettent des mouvements ultra-rapides à la fois vers le « futur » et le « passé »…

L'antiparticule correspond à un quanta de temps à rebours. La symétrie du vide entraîne un désordre chaotique. Le temps et l'espace du vide sont également désordonnés. C'est sur cet espace et ce temps désordonnés (ceux issu des dipôles virtuels) que se construit l'espace, le temps, la masse et l'énergie du phénomène « particule durable » de matière ou de lumière.

Pour le comprendre, il faut examiner les phénomènes qui concernent les couples virtuels, phénomènes liés à la charge électrique. Les couples subissent l'attraction électromagnétique. Ils se comportent aussi comme des dipôles : tournent, subissent une précession, produisent un champ. D'autre part, ils interagissent avec les autres dipôles de manière électromagnétique mais aussi d'une autre manière : en interchangeant leurs partenaires. Ce saut d'un dipôle à un autre permet aux dipôles d'échanger aussi des espaces. Le phénomène « photon » est fondé sur un tel échange. C'est le rythme du cycle d'accroche-décroche des couples qui détermine la fréquence du photon. Le phénomène est justement de l'auto-organisation des rythmes de construction/destruction des couples. C'est ce qui amène les couples fugitifs du virtuel à devenir un photon durable dont le cycle oscille entre une phase éloignée et une phase proche. Quand particule et antiparticule sont proches, le couple se comporte comme un seul objet de charge nulle, qui n'interagit plus électromagnétiquement avec les couples virtuels.

L'ensemble des cycles des états de la particule de matière sont décrits par les processus de Feynman de décomposition et recomposition de couples de particules et antiparticules virtuelles. Il ne s'agit pas de simples artifices de calcul mais du processus de la nature.

C'est également ce phénomène qui va permettre à une particule n'appartenant pas à un couple de produire un autre phénomène durable : la particule. C'est également la formation d'un cycle durable dont les éléments ne le sont pas. Il s'agit aussi d'une série de sauts d'un état à un autre. La particule libre s'associe à une antiparticule d'un dipôle proche et libère une autre particule et ainsi de suite… La « stabilité » d'une particule n'est qu'une apparence fondée sur ces cycles. Cette apparence est fondée sur le rapport des temps. Les temps de la matière sont beaucoup plus longs que le temps d'un cycle. Et c'est aussi pourquoi la particule est assimilable, pour toute expérience macroscopique, à une superposition d'états. Et c'est ce qui explique qu'une mesure, très rapide, ne mesure, elle, qu'un seul état. C'est l'une des énigmes quantiques appelée « réduction du paquet d'ondes » et qui posait le problème : comment ce qui se manifeste comme un phénomène étendu dans l'espace peut-il en un temps très bref se ramener à un phénomène corpusculaire. Le temps défini par la matière est conçu de la manière suivante : un fermion associé à une antiparticule du vide donne un quantum de temps. La « masse » de la particule provient du temps nécessaire au vide pour reconstruire sans cesse la structure « matière » (durable). Il en découle l'apparence de résistance au déplacement du phénomène. Pourquoi y aurait-il une résistance de la particule au mouvement – une masse -, s'il n'y a pas de vrai mouvement ? La propriété du phénomène de la masse durable se déplace réellement en passant d'une particule virtuelle à une autre. Elle ne se déplace pas instantanément mais elle le fait à la vitesse de la lumière. Ce n'est donc pas d'elle que vient la vitesse limitée de déplacement de la particule. Mais, pour exister, la particule doit casser une liaison particule/antiparticule virtuelle en se rapprochant d'une antiparticule. Cela met du temps. Et ce temps doit être comparé au temps précédemment cité : le déplacement de la propriété de masse d'une particule virtuelle à une autre. En effet, pourquoi l'effort serait-il de plus en plus grand lorsque la particule réelle se déplace à plus grande vitesse, comme le prévoit la relativité ? Pourquoi la masse serait-elle infinie à la « vitesse de la lumière » ? Parce que le temps de parcours du phénomène approche du temps de déplacement du phénomène, alors qu'ordinairement il est bien plus petit. Un temps court supposant une plus grande énergie, il faudrait une énergie infinie pour qu'une particule se déplace à vitesse proche de la vitesse de la lumière. Plus la matière contient d'énergie, c'est-à-dire de couples virtuels contenant plus de quanta de temps, plus elle se déplace lentement parce que le temps s'écoule plus vite.

Et les quanta du vide, ces particules et antiparticules virtuelles, comment se déplacent-elles ? S'agit-il d'un déplacement mécanique ou encore une fois de la conservation d'une structure par saut ? La dernière réponse semble encore une fois la bonne, fondée sur un nouvelle agitation, du domaine appelé le « virtuel de virtuel »…Inutile de demander si cela continue à l'infini, on l'ignore…

Que conclure d'un tel amoncellement d'idées contre-intuitives, sinon que la science n'est pas du domaine « je ne crois que ce que je vois », mais plutôt je raisonne sur ce que je vois et même je dois imaginer ce que je n'espère même pas voir.

Ensuite, on peut en conclure que la philosophie est au moins aussi importante que l'expérience.

Enfin, on peut trouver que la nature s'engage en termes philosophiques, mais il est loin d'être simple de déduire une philosophie de l'examen de la nature. C'est à l'homme de choisir une philosophie et, si ce choix est heureux, la nature n'ira pas jusqu'à rendre sa réflexion inutile. On ne peut pas en attendre davantage et c'est déjà beaucoup….

Et quelle conclusion philosophique, alors ? Le monde n'est pas construit une fois pour toutes, mais sans cesse reconstruit et détruit. Il ne l'est pas en fonction d'un plan préétabli prévoyant une structure finale, mais obéissant à des rétroactions (actions et réactions emboîtées et enchaînées). Mais, au lieu de s'annuler les rétroactions construisent une dynamique qui bâtit des structures dissipatives émergentes étonnamment imaginatives au point qu'elles ont fini par construire l'homme et sa conscience… Et nul ne sait de quels sauts l'être humain et social nous réserve encore… Mais, là, ce n'est pas l'atome ni l'électron qui peuvent nous répondre. La philosophie peut-être…

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

Les couleurs et la couleur…

Robert Paris — 2021-07-24T22:05:00Z

Les couleurs et la couleur…

Un exemple : la couleur du zèbre

La couleur et l'œil

La lumière a une couleur

Lumière quantique

La couleur de la lumière, vue par Matière et Révolution

La couleur, vue par l'Université de tous les savoirs

Les couleurs, vues par Pastoureau

Voir aussi Pastoureau

Voir encore Pastoureau

Voir toujours Pastoureau

Les couleurs et la couleur sur wikisource

La couleur de la lumière sur gallica

Les couleurs sur google books

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Qu'est-ce que la vitesse de la lumière c et est-elle indépassable ?

Robert Paris — 2021-06-19T22:05:00Z

Jean-Paul Auffray, dans « L'atome »

« Selon la mécanique quantique, les rayons émis (ou absorbés) par un atome sont composés de photons dotés, en tant que tels, de deux caractéristiques fondamentales : ils se déplacent à la vitesse de la lumière (égale à 300.000 kilomètres par seconde environ) et ils transportent chacun un paquet d'énergie égale à la constante de Planck h multiplié par la fréquence µ du rayonnement considéré.
Les choses de présentent différemment dans notre représentation. Les rayons sont composés de quanta d'action (l'action a la dimension d'une énergie multipliée par un temps) auxquels ni l'une ni l'autre des deux contraintes citées ci-dessus (vitesse c et paquet d'énergie hµ) n'est applicable : les quanta peuvent aller soit moins vite soit plus vite que la lumière et peuvent transporter une énergie soit plus petite soit plus grande que hµ. Y a-t-il une chance concrète de pouvoir trancher entre les deux points de vue, en observant par exemple un quantum allant plus vite que la lumière et transportant une énergie plus grande que hµ ?

Selon notre point de vue, lorsqu'un quantum rencontre sur son chemin un passage étroit – un tunnel – dont la largeur ou le diamètre est du même ordre de grandeur que la longueur de son pas, il « allonge le pas » pour traverser cet obstacle, ce qui a pour effet de le faire émerger de l'autre côté du piège plus tôt que prévu il traverse donc le tunnel à une vitesse « supraluminique ». Ce phénomène remarquable est connu en mécanique quantique sous le nom d' « effet tunnel ». Au cours des années 90, plusieurs groupes de chercheurs (en particulier Anedio Ranfani à Florence, Günther Nimtz à Cologne et Raymond Chiao à Berkeley) l'ont étudié au moyen de techniques très sophistiquées. Ainsi l'équipe de Cologne a mesuré des vitesses cinq fois supérieures à c !
Le phénomène fascine … et embarrasse les physiciens : c'est qu'ils sont habitués à penser que « rien ne peut aller plus vite que la lumière ». Pour expliquer les vitesses supraluminiques, la mécanique quantique a recours à une représentation du photon qui en fait un « paquet d'ondes », véritable composite … d'éléments individuels ressemblant étrangement à nos quanta d'action ! En un mot, elle utilise de facto la représentation ci-dessus.

Aephraïm Steinberg à Berkeley a étudié de près le comportement d'un paquet d'ondes traversant un tunnel constitué dans ses expériences par une couche mince réfléchissante que seul un quantum sur cent en moyenne parvenait à traverser. Ses conclusions confirment qu'en traversant le tunnel le paquet « voyage plus vite que la lumière », même s'il conclut également qu' « on ne peut pas exploiter cet effet pour transférer de l'énergie à une vitesse moyenne supérieure à celle de la lumière. » A quoi cela tient-il ?
Les calculs de Richard Feynman montrent que sur de longues distances seuls les quanta qui se déplacent à la vitesse de la lumière parviennent à demeurer en phase les uns avec les autres et sont donc observables (sont « réels » au sens donné par les spécialistes). C'est ce qui nous fait dire que la lumière a une vitesse c bien déterminée, toujours la même dans le vide. Mais cette restriction ne s'applique pas sur de courtes distances, à l'échelle interne de l'atome par exemple. »

vitesse supraluminique

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Sur wikipedia :

La vitesse de la lumière dans le vide

D'après les théories de la physique moderne, et notamment les équations de Maxwell, la lumière visible et toutes les ondes électromagnétiques ont une vitesse constante dans le vide, la vitesse de la lumière.

On la considère donc comme une constante physique notée c (du latin celeritas, « vitesse »). Mais elle n'est pas seulement constante (pense-t-on) en tous les endroits (et à tous les âges) de l'univers (principes cosmologiques faible et fort, respectivement) ; elle l'est également d'un repère inertiel à un autre (principe d'équivalence restreint). En d'autres termes : quel que soit le repère inertiel de référence d'un observateur ou la vitesse de l'objet émettant la lumière, tout observateur obtiendra la même mesure.

Aucun objet matériel ni aucun signal ne peut voyager plus vite que c dans le cadre des théories existantes. Seuls peuvent « voyager » plus vite que c (à vitesse dite supraluminique) des fronts virtuels (l'ombre portée à grande distance d'un objet en rotation, par exemple), et on ne peut pas s'en servir pour transmettre un signal, ni de l'énergie. Ce ne sont en fait même pas des objets à proprement parler.

L'expérience d'Alain Aspect montre qu'un observateur peut être informé instantanément, par une mesure sur une particule proche, de l'état d'une particule lointaine, mais il n'y a pas là non plus de réelle transmission de signal.

La vitesse de la lumière dans le vide est notée c :

c = 299 792 458 mètres par seconde

Effets supraluminiques

En mécanique quantique, il existe une collection d'effets qui explorent les limites de la notion de vitesse limite indépassable. Les expériences associées à ces effets sont plus subtiles à interpréter. Cela dit, on démontre que si certains phénomènes donnent l'impression d'impliquer une propagation instantanée, voire remontant le temps, aucun de ces phénomènes ne permet de transporter de l'énergie ou de l'information.

Effet Hartman

Un photon ou un électron traversant par effet tunnel une barrière quantique peut manifester un délai de traversée plus court que celui mis par la lumière pour une distance équivalente, ce temps étant évalué par l'observation du sommet du paquet d'ondes correspondant, avant et après la barrière. Compte tenu de l'épaisseur de la barrière tunnel, le sommet du paquet d'onde est réduit, et semble être passé plus vite que la vitesse de la lumière. Ce phénomène est appelé effet Hartman (ou effet Hartman-Fletcher). Les explications de ce phénomène dans le cadre de la mécanique quantique s'avèrent interdire son utilisation hypothétique pour le transport d'information ou d'énergie supraluminique.

Effet Casimir

L'effet Casimir est un effet visible à très petite échelle, mais tout de même mesurable et qui correspond à une pression[4] sur des plaques conductrices exercée par le vide quantique situé entre elles. Ainsi qu'il est décrit en théorie quantique des champs le vide quantique est le lieu de création et d'annihilation à tout instant de nombreuses particules virtuelles. L'existence de conditions au bord différentes pour le vide extérieur et intérieur aux plaques implique alors une différence d'énergie entre les deux qui est la cause de la pression mesurée sur les plaques.

Les particules virtuelles sont par définition en dehors de leur couche de masse, ce qui signifie qu'elles ne satisfont pas à la relation E2 = p2c2 + m2c4, et sont par définition inobservables individuellement bien que leur contribution collective soit mesurable comme dans l'effet Casimir et plus généralement dans toutes les corrections quantiques aux observables classiques d'une théorie quantique des champs.

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La vitesse de la lumière pourrait être variable, ralentie par les fluctuations du vide quand elle est très énergétique (on sait que tout comme une corde, plus l'énergie est grande, plus la longueur d'onde est courte : plus c'est lourd plus c'est petit comme le noyau est plus petit que l'électron ! Plus c'est petit, plus l'énergie est grande, plus le temps est court et plus les fluctuations du vide sont assez importantes pour dévier les photons, qui ralentissent donc et s'embourbent).

En étudiant en 2005 la galaxie Markarian 501, les astrophysiciens ont fait une bien curieuse découverte : des photons semblent se déplacer à des vitesses différentes ! Selon les plus audacieux d'entre-eux, il pourrait s'agir d'une des toutes premières preuves en faveur de certaines théories de gravitation quantique comme la Loop Quantum Gravity ou la théorie des supercordes.

La taille de la région d'où sont originaires ces éruptions ne semble pas excéder la distance que parcourt la lumière en trois secondes et chacune d'entre elles a produit des photons gamma dont les énergies s'échelonnent entre 100 Gev et 10 Tev, et ce, pendant un temps estimé à 2 minutes à peu près. Là où les choses commencent à devenir très intéressantes, c'est que les photons gamma les plus énergétiques sont arrivés sur Terre avec 4 minutes de retard environ sur les moins énergétiques !

En particulier, John Wheeler et Stephen Hawking ont défendu depuis longtemps l'idée qu'en raison des lois de la mécanique quantique, si l'espace-temps semble lisse et calme à notre échelle, il n'en est pas de même lorsqu'on le considère à des échelles de distances bien plus petites qu'un milliardième de la taille d'un noyau d'atome. Si l'on se donne une image de fluide pour décrire ce qui se passe à une échelle de 10-35 m, la longueur de Planck, on obtient celle d'un liquide en ébullition, très turbulent. Les lois de la gravitation quantique impliquent en effet alors une structure très similaire à celle de l'écume d'une vague se brisant sur un rocher. C'est ce que John Wheeler a justement baptisé en anglais la « foam like structure » de l'espace-temps.

Une théorie quantique du champ de gravitation doit donc elle aussi conduire à des fluctuations quantiques violentes, mais transitoires, de la structure de l'espace-temps avec apparition temporaire de trous de vers et de trous noirs virtuels. Or, plus un photon est énergétique, plus sa longueur d'onde est courte. Ce qui veut dire qu'il sera d'autant plus sujet à être affecté par la structure microscopique de l'espace-temps. Plus cette longueur sera courte, plus les fluctuations conduisant à l'apparition de mini trous noirs virtuels modifieront sa trajectoire dans l'espace-temps.

Une structure discrète semble alors émerger dans certains cas, exactement comme le prédisent les théoriciens de la Loop Quantum Gravity. Les deux approches sont donc peut-être complémentaires pour décrire l'effet de la structure quantique de l'espace-temps sur la propagation des photons. De fait, ces deux approches pour la gravitation quantique que sont la théorie des cordes et la LQG, conduisent à des formules similaires pour décrire cet effet.

Comment un observateur se déplaçant à la vitesse de la lumière (aux côtés du photon lumineux) voit-il le monde ? ou le paradoxe de la relativité restreinte

Que savons-nous sur la lumière ?

Un photon, c'est quoi ?!!!

La réduction du paquet d'ondes, plus rapide que la lumière

Lumière et matière, des lois issues du vide

Robert Paris — 2021-03-14T23:05:00Z

Le physicien Léon Léderman :
« Si l'électron est un point, où se trouve la masse, où se trouve la charge ? Comment savons-nous que l'électron est un point ? Peut-on me rembourser ? »

Voir ici une image de l'atome

L'électron n'a pas une position fixe : sa charge tremble, sa masse saute d'un point à un autre, son nuage de polarisation interagit avec le voisinage.... Cela définit diverses "dimensions" de l'électron. S'il est capté, il est ponctuel. Sa masse est ponctuelle. Sa charge est ponctuelle. S'il interagit, il est considéré par l'autre objet comme une zone de dimension non nulle. les divers es dimensions ont entre elles un rapport égal à la constante de structure fine alpha. Voilà les résultats de la physique quantique sur la "particule élémentaire".

Qu'est-ce que l'atome, l'élémentaire, l' « insécable » ? Un nuage de points à de nombreuses échelles ! Ces points sont les particules électrisées, dites virtuelles, qui composent le vide. La propriété de masse de l'électron saute d'une particule virtuelle du nuage à une autre.

La lumière est constituée par deux (ou un nombre pair) particules virtuelles d'électricité opposées.

Le vide, avec ses divers niveaux hiérarchiques, est donc le constituant de base de l'univers matière/lumière.

Le caractère probabiliste de l'électron provient du fait qu'il n'est pas un seul objet mais un ensemble de niveaux emboîtés fondés sur l'agitation du vide.

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. » Ce pessimisme des physiciens devant les contradictions de l'électron a un fondement réel : il est impossible de donner une seule image cohérente de son fonctionnement si on considère que l'électron est un seul objet à une seule échelle.

Ces remarques provenaient en effet 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.
On a beaucoup disserté sur l' « incertitude » inhérente à la physique quantique, limite prétendue des capacités de l'homme de connaître le monde ou même, disent certains, preuve que le réalisme matérialiste devrait être abandonné. En fait, c'est bien le caractère fractal du réel qui cause cette indétermination quand on mesure à une échelle.
Ce que les physiciens ont remarqué, c'est qu'en mesurant ou raisonnant à une échelle, on ne doit pas chercher à dépasser une certaine précision. Sinon on n'améliore pas notre image, on la détériore mais ils se demandaient pourquoi. On a dit bien souvent que c'était contraire à notre expérience quotidienne et au bon sens. Je ne le crois pas. Quand on lit un texte, on se rapproche un peu pour lire correctement, mais si on se rapproche trop, on voit moins bien. Il y a une échelle favorable pour lire et on ne peut pas lire à la fois à toutes les échelles. De même, on ne peut pas avoir une carte à l'échelle qui permette à la fois d'indiquer plusieurs villes éloignées et les rues de ces villes. Il faut choisir. Est-ce que cela signifie que la carte choisit ce que sera la réalité ? Non, cela signifie seulement que la réalité existe à plusieurs échelles suffisamment différentes pour ne pas pouvoir être examinées simultanément.

Le nuage de polarisation qui entoure l'électron est constitué d'éléments d'un monde inférieur qui est le monde des particules virtuelles caractérisées par deux propriétés liées entre elles : pas de masse et pas d'espace-temps tel que nous le connaissons à notre échelle macroscopique ni tel qu'il existe (localement) dans l'environnement d'une masse. Ces particules sont électrisées positivement ou négativement et s'ordonnent dynamiquement autour de l'électron par couches positives et négatives alternativement, écrantant ainsi le champ de la charge électrique à proximité de l'électron. Cela explique qu'aucune charge électrique ne peut s'approcher au point de toucher l'électron. Il y a toujours des couches de particules virtuelles entre deux particules « réelles ». Rappelons une fois de plus que les particules dites virtuelles sont tout aussi réelles que celles dites réelles mais sont situées à un autre niveau de réalité. Elles ne sont pas les seules puisqu'existent à un niveau encore inférieur le « virtuel de virtuel ». Ainsi deux particules virtuelles sont elles-mêmes entourées, à un niveau hiérarchique inférieur, de particules électrisées. Ces mondes ne sont pas seulement emboités. Les niveaux sont interactifs. Et même plus puisque chaque niveau émerge du niveau inférieur. Les particules « réelles » sont des structures portées par des particules virtuelles qui reçoivent un boson de Higgs. Lorsque la particule virtuelle devient porteuse de masse, elle construit autour d'elle un champ d'espace-temps, elle structure l'espace-temps désordonné du niveau virtuel.
Le nuage de polarisation tourne du fait du magnétisme par l'action du mouvement de l'électron. C'est ce que l'on appelle le spin de l'électron. Mais les couches positives et négatives ne tournent pas de la même manière car l'électron est chargé négativement. Cela explique qu'il faille de tour pour revenir à la situation de départ, ce que l'on appelle un spin ½.

La charge de l'électron est ponctuelle. Sa masse est ponctuelle. Pourtant, les expériences montrent également qu'elles ne sont jamais exactement au même endroit, d'où des propriétés de rotations internes de la structure électron. Cette différence provient du fait que le saut de l'électron ne produit pas la même réaction aux diverses échelles d'espace-temps. La masse bouge plus lentement que les bosons. Elle met plus de temps pour se déplacer. Elle va donc moins loin. Cela produit plusieurs mouvements différents. Le nuage de positions de la charge est beaucoup plus ample que celui de la masse : le rapport appelé « constante de structure fine » est le rapport d'échelle des différents mondes hiérarchiques emboîtés est donc aussi le rapport entre les temps ou les distances. C'est donc aussi le rapport entre les différents « rayons de l'électron ». Alors que la masse tremblote autour de sa position (propriété appelée « zitterbezegung »), la charge s'étend sur toute une zone.

L'une des bizarreries de la physique de l'électron est quantique : c'est la superposition d'états. Deux particules qui interagissent mettent en commun leurs états. Cela n'aurait aucun sens si on gardait l'image de la particule, objet indépendant. La « superposition d'états » ne peut être interprétée comme une onde physique, ce qui fait que les premiers physiciens quantiques ont parlé seulement d' « onde de probabilité de présence ». Mais quelle est la réalité physique du phénomène menant à cette probabilité de présence. Comment l'électron « sait-il » qu'il doit prendre telle ou telle position au sein de son nuage de probabilité de présence. La physique quantique a longtemps répondu qu'il n'existait pas de réponse et certains s'aventuraient même à dire qu'il n'y en aurait jamais. C'était logique pour la physique quantique : au sein de son formalisme la question ne pouvait pas être posée. Cependant, l'étude du vide a changé les données du problème. Elle nous a appris l'existence de tout un milieu du vide, milieu agité et plein d'énergie : les quanta positifs et négatifs qui apparaissent et disparaissent dans un temps très court. Les « particules virtuelles » ont d'abord servi de base de calcul avant que leur réalité soit reconnue. On admet aujourd'hui l'existence de plusieurs niveaux du vide. Il y a ainsi un virtuel de virtuel. Les particules n'interagissent pas à distance mais au travers du vide. Cependant, le vide quantique est un milieu aux propriétés très différentes de celles que nous connaissons au niveau de la matière que nous connaissons. Tout d'abord, il y a autant d'antiparticules que de particules. Ensuite, l'espace et le temps s'agitent en tout sens, sautent sans cesse, empêchant toute notion de trajectoire, de force. Les particules virtuelles n'ont pas de masse. L'énergie, le moment sont des notions qui ont cours mais elles sont utilisées différemment. Il n'y a pas conservation de l'énergie à tout instant. Dans la matière à notre échelle, de l'énergie ne peut pas brutalement apparaître là où elle n'existait pas. Au sein du vide quantique, l'énergie se conserve seulement globalement. Toute énergie qui apparaît au sein du vide doit disparaître dans un temps court, d'autant plus court que cette énergie est importante. C'est ce qui met en place la notion de quanta : le produit d'un temps et d'une énergie.

Il y a un lien entre le vide et la matière/lumière. Le vide n'est pas seulement le media des interactions matière-matière ou matière-lumière, il est le fondement de la matière et de la lumière. C'est le vide qui produit sans cesse les phénomènes « matière » et « lumière ». Le vide n'est pas seulement l'espace sur lequel photons et particules se déplacent. Ce déplacement n'est rien d'autre qu'une interaction avec le vide. Plus encore, le vide est le constituant de la matière et de la lumière.

Il en résulte une compréhension nouvelle de la matière et de la lumière. Les particules et les photons ont en commun … le vide qui les compose ! Les particules n'interagissent pas par des collisions mécaniques mais par des interaction entre les éléments à un échelon inférieur : celui du vide. Du coup, des particules peuvent échanger leurs composants virtuels : interagir. Ils peuvent ainsi constituer des superpositions d'états, des états corrélés.

Henri Poincaré écrit dans « Leçons sur le rayonnement thermique » :
« L'hypothèse des quanta d'action consiste à supposer que ces domaines, tous égaux entre eux ne sont plus infiniment petits, mais finis et égaux à h, h étant une constante. »

Théorème de Joseph Liouville, rapporté par Jean-Paul Auffray dans « L'atome » :

« La densité de points dans le voisinage d'un point donné dans l'extension de phase est constante dans le temps. »

Enoncé de Poincaré, dans « l'hypothèse des quanta » :

« L'énergie est égale au produit de la fréquence par l'élément d'action. (...) Le quantum d'action est une constante universelle, un véritable atome. (...) Un système physique n'est susceptible que d'un nombre fini d'états distincts ; et il saute d'un de ces états à l'autre sans passer par une série continue d'états intermédiaires. (...) l'ensemble des points représentatifs de l'état du système est une région (...) dans laquelle les points sont si serrés qu'ils nous donnent l'illusion de la continuité. (...) ces points représentatifs isolés ne doivent pas être distribués dans l'espace de façon quelconque (...) mais de telle sorte que le volume d'une portion quelconque de matière demeure constant. (...) L'état de la matière pondérable pourrait varier d'une manière discontinue, avec un nombre fini d'états possibles seulement. (...) L'univers sauterait donc brusquement d'un état à l'autre ; mais dans l'intervalle, il demeurerait immobile, les divers instants pendant lesquels il resterait dans le même état ne pourraient plus être discernés l'un de l'autre : nous arriverions ainsi à la variation discontinue du temps, à l'atome de temps. (...) Si plusieurs points représentatifs constituent un domaine élémentaire insécable dans l'extension en phase, alors les états du système que ces points représentent constituent nécessairement, eux aussi, un seul et même état. »

Jean-Paul Auffray dans « L'atome » :

« Richard Feynman demandait à son fils : « Lorsqu'un atome fait une transition d'un état à un autre, il émet un photon. D'où vient le photon ? » (…) Dans la terminologie de Feynman, le quantum est un photon virtuel. »

Maurice Jacob dans "Au coeur de la matière" :

"Au coeur de la matière et à l'échelle du cosmos

La nature est plus riche que notre imagination. On peut démonter les molécules en atomes. On peut arracher les électrons d'un atome et séparer les protons et les neutrons qui constituent son noyau. On découvre les différents niveaux de la matière qui mettent en jeu des constituants de plus en plus élémentaires. (...) La masse, cette propriété que l'on pensait intrinsèquement associée à un objet et qui résultait de l'addition des masses de ses constituants, une masse que l'on associait à chaque particule avant de considérer les forces auxquelles elles pouvaient être soumises, cette masse devient un effet dynamique des actions auxquelles les constituants fondamentaux sont soumis. (...) Les particules élémentaires sont les quarks (qui forment notamment les protons et les neutrons) et les leptons (comme l'électron). (...) Les forces qui leur permettent d'interagir entre eux sont toutes du même type : elles prennent la forme particulière d'un échange de bosons. (...) L'un de ces bosons est le "grain de lumière", le photon. (...) Deux particules chargées s'attirent ou se repoussent en échangeant des photons. Au cours d'un choc, ou simplement accélérée, une particule chargée peut émettre un photon (...) dont la fréquence est proportionnelle à son énergie. (...) L'atome est formé d'un tout petit noyau entouré d'un "nuage" d'électrons. Le rayon du noyau est cent mille fois plus petit que celui de l'atome, mais il contient pratiquement toute la masse. l'atome est donc pratiquement vide mais son volume, extrêmement vaste par rapport à celui du noyau, est rempli par le mouvement incessant des électrons qui se concentrent sur des couches successives. Le noyau a une charge positive et les électrons ont une charge négative. Ils sont tous attirés par le noyau mais tournoient à une distance respectable. L'atome est globalement neutre, la charge totale des électrons étant compensée par celle des protons qui se trouvent dans son noyau. (....) En physique quantique, il faut renoncer à considérer une particule comme parfaitement localisable. (...) Ce flou quantique peut heurter l'intuition naturelle (...) ne peut-on envisager l'observation d'un électron pendant un temps très court durant lequel il ne pourrait parcourir qu'une petite partie de la distance associée à ce flou quantique ? C'est possible mais on ne peut plus distinguer dans ce cas l'électron des multiples autres particules (paires d'électrons et de positrons fugitifs du vide) qui peuvent être librement émises et réabsorbées durant ce temps très court. (...) Le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron (le positron est l'antiparticule de l'électron). Ce sont des paires virtuelles (...) L'électron de charge négative va attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. En approchant de l'électron, le photon va se voir entouré d'un "nuage" de charge positive dû aux positrons virtuels attirés. Il aura l'impression que la charge de l'électron est plus faible que celle annoncée. (...) la masse des particules vient de la structure du vide qui s'est figé au début de l'évolution de l'Univers (...) La diversité de la matière sort de la structure du vide. (...) le vide bouillonne d'activité, il peut même exister sous plusieurs formes et manifester une structure. (...) Ce bouillonnement d'activité est de nature quantique."

Victor Weisskopf dans « La révolution des quanta » :

« En 1927, Dirac, en cherchant l'équation qui serait capable de rendre compte du comportement de l'électron et satisferait tout à la fois à la théorie quantique et à la théorie de la relativité einsteinienne, (…) s'aperçut qu'il y avait une autre solution (que l'électron) de charge positive. (…) Chaque fois qu'on construit une théorie quantique relativiste pour décrire une particule, la théorie fait apparaître la nécessité de postuler une « antiparticule » symétrique, de charge opposée. Ces antiparticules forment ce qu'on appelle l'antimatière, dénuée de tout le mystère dont on entoure parfois son nom : ce n'est en fait rien qu'une autre forme de la matière, composée d'antiparticules ayant des charges opposées à celles des particules ordinaires. (…) Dirac, tirant les conclusions de la découverte du positron (antiparticule de l'électron), put proposer une description toute nouvelle du vide. Jusqu'alors, on s'était représenté le vide comme réellement vide, on aurait extrait toute forme de matière et de rayonnement, ne contenait strictement rien, et, en particulier, aucune énergie. C'est à Dirac que l'on doit d'avoir, en deux étapes, repeuplé le vide et fait en sorte que le vide ne soit plus vide. »

Chacun sait que la physique a découvert que la matière, comme la lumière, est constituée de « grains » appelés particules. La matière serait appelée fermions, c'est-à-dire particules obéissant à la règle de Fermi qui empêche les particules de même état de s'agglomérer du fait du « principe de Pauli ». Les fermions sont de deux types : leptons (comme l'électron) ou quarks (constituant des neutrons et des protons). La lumière – expression employée ici pour regrouper toutes les particules dites d'interaction - serait formée de bosons, c'est-à-dire de particules qui obéissent à la règle de Bose qui concerne des particules qui ont tendance à s'agglomérer dans un état commun.

L'ensemble a semblé dans un premier temps fonctionner comme un jeu de construction : on additionne les particules pour former des ensemble plus importants comme l'atome, les molécules et les macromolécules. On additionne les neutrons et les protons pour former le noyau des atomes et on rajoute les électrons pour former l'entourage atomique qui permet à l'atome d'être globalement neutre électriquement.

Cette logique additive n'est pas entièrement fausse mais elle a atteint ses limites d'explication et depuis longtemps maintenant elle est abandonnée par les physiciens pour expliquer le fonctionnement de la matière/lumière. La première raison provient du fait que cette image additive supposait que les particules soient des objets statiques, individuels, existant en permanence ou au moins sur de longues durées. A chaque particule individuelle était attribuée une masse qui était considérée comme attachée à la chose matérielle. La physique actuelle est très différente. L'individualité de la particule n'est plus admise. La masse est une propriété qui se déplace et saute d'un point à un autre, sans être fixée à un objet. L'objet lui-même n'est plus une image reconnue. En fait, la matière ne s'explique plus par la fixité mais, au contraire, par une dynamique extraordinairement agitée : celle du vide qui n'est plus synonyme d'absence. Le fondement du caractère apparemment conservatif de la structure globalement conservée qu'est la matière est l'agitation permanente du vide !

Nous allons tenter de développer une image de type classique de la physique quantique : celle dans laquelle les « objets » sont les particules du vide, les particules virtuelles. Les particules qui sont vraiment virtuelles sont les particules de matière et de lumière qui ne sont pas des objets mais des effets des phénomènes du vide. Elle est classique au sens où tous les phénomènes de la physique quantique trouvent une interprétation phénoménologique.

Le vide sera présenté ici comme l'unité de la matière virtuelle : unité de la matière et de l'anti-matière, unité de la matière et de l'énergie. La matière dite réelle sera présentée comme la rupture de cette unité : la séparation de la matière et de l'antimatière.

Comment expliquer en effet les phénomènes étonnants suivants :

– la superposition d'états

– la réduction du paquet d'ondes

– le saut de la particule de matière d'un état à un autre, d'une orbite à une autre, d'une position à une autre

– le saut du photon lumineux d'un état neutre à un état dipolaire et inversement

– l'émission/absorption de photons par la matière

– l'apparition/disparition d'une particule

– les fentes de Young

– l'expérience de Aharonv-Bohm

– l'expérience de Stern-Gerlag

– l'échangeabilité de photons ou de particules ayant les mêmes caractéristiques

– l'absence d'individualité et d'histoire des particules de lumière et de matière

– les lois de Fermi et de Bose

Examinons, en conclusion, l'hypothèse selon lequel la matière/lumière n'est qu'un effet du vide, à un certain niveau d'énergie :

La matière

– le vide est constitué de dipôles (particule et antiparticule)

– une particule chargée est sans cesse en interaction électromagnétique avec les particules virtuelles qui l'entourent

– il en découle, autour de la particule chargée de matière, l'attirance des particules virtuelles de charge opposée. Cela constitue le nuage de polarisation de la particule, nuage qui l'entoure mais se modifie sans cesse par interaction avec les dipôles du vide.

– Autour de la particule de masse chargée, des dipôles virtuels ont tendance à s'orienter dans un sens bien particulier : la charge opposée vers la particule de masse. Du coup, une particule de charge positive a tendance à être entourée d'une couche mobile de particules négatives puis à nouveau d'une couche de particules positives. C'est l'écrantage de la charge. Cela empêche les particules de tomber les unes sur les autres. Cela signifie qu'à proximité d'un champ attractif il y a un champ répulsif.

– Interprétation de la masse de la particule de matière :

– quand une particule virtuelle de charge opposée s'approche de plus près de la particule de matière, ils forment un nouveau dipôle et libèrent l'autre particule chargée qui devient la nouvelle particule de masse. Le bilan de ce rapprochement est le saut de la particule de masse d'une particule à une autre et, spatialement, d'un point à un autre dans un temps extrêmement court. La particule de matière n'est donc pas un seul objet mais saute d'un objet à un autre. On ne peut donc pas suivre sa trajectoire. Le nuage de polarisation ayant globalement le même déplacement que la particule, on retrouve cependant environ la même vitesse d'ensemble.

– Quand une particule passe par un trou étroit, elle perd son nuage de polarisation, ce qui entraîne le phénomène de dispersion comme si le trou était une source.

– Par les fentes de Young, la particule ne passe que par une fente mais le nuage passe par les deux. Les particules virtuelles interfèrent entre les deux passages, ce qui permet le phénomène d'interférence, y compris avec une seule particule. Si on éclaire le passage d'un des trous, on fournit un nouveau nuage de polarisation à la sortie de la particule ou on supprime le nuage sortant d'un des trous, il n'y a plus d'interférence. Si on place un solénoïde, le champ magnétique déplace les franges d'interférence (effet Aharonov-Böhm) car le nuage virtuel de la particule est déplacé par le champ magnétique externe au solénoïde.

– Le nuage de polarisation produit de nombreux effets dont l'onde de Broglie de la matière, les effets de flou et de bord.

– Il produit notamment les effets de rotation quantique (y compris ceux de particules neutres) : spin, moment magnétique et, du coup, le principe d'exclusion de Pauli. En effet, deux particules de masse qui ont des nuages de polarisation tournant dans le même sens ne peuvent se rapprocher : du fait de la répulsion des deux nuages.

Le spin

Le spin d'une particule serait lié au vide quantique de la manière suivante : il représenterait non une rotation de la particule mais une rotation du vide (constitué de particules et d'antiparticules virtuelles) autour de la particule. Ces quantons virtuels repoussés par la particule auraient un tel mouvement de rotation soit dans un sens soit dans l'autre, ce qui donnerait les spins up et down.

La lumière

Le photon est constitué d'un couple de particules virtuelles (particule et antiparticule) dont le dipôle a subi une contrainte qui va se propager à la vitesse de la lumière. Ce n'est pas une propagation de matière ni d' « objets » mais d'un effet de contraction. Le dipôle le subit, se détend et transmet la contraction à son voisin. Le dipôle devenu « photon » est saute donc d'un dipôle à l'autre.

Relation matière/lumière

Que se passe-t-il quand une particule de matière s'approche à une vitesse suffisante d'une autre et qu'elles échangent un photon ? Les deux nuages de polarisation sont contraints de se mêler. Les couches de même signe se rapprochent avec suffisamment d'énergie pour contraindre un dipôle à se rapprocher.

Le principe d'exclusion de Pauli provient d'une relation entre la particule et le vide autour. C'est le nuage de polarisation. Deux particules ne peuvent occuper la même position parce que, même si elles ont des charges électriques qui s'attirent, elles ont aussi des nuages polarisation d'électricité qui la repoussent dès que l'on s'approche de trop près. Cela signifie que le champ électromagnétique s'inverse à proximité. Cependant, si deux particules ont des spins opposés, la rotation du nuage de polarisation se fait en sens inverse et les deux particules peuvent s'approcher un peu plus.

L'image de la matière qui résulte de ces études est ainsi résumée par l'astrophysicien Cassé dans « Du vide et de la création » : « Au centre de la nuée du virtuel est encore un virtuel, d'ordre plus élevé. Et ces électrons et positons doublement virtuels s'entourent eux-mêmes de leur propre nuage de corpuscules virtuels, et cela ad infinitum. (…) L'image quantique qui en résulte est un électron (…) protégé par des rangs successifs de photons virtuels (…) L'électron n'est plus l'être simple qu'il était. (…) Il s'habille de vide fluctuant. De même, chaque proton est dépeint comme un microcosme concentrique où s'étagent les différents niveaux de virtualité. Au centre est la particule réelle, sa garde rapprochée est constituée par des particules et antiparticules les plus massives (énergétiques) et donc les plus éphémères, bosons W et Z, paires proton-antiproton et photons gamma. Le second cercle contient les couples positon-électron et les photons de 1 MeV environ. A la périphérie flottent les photons d'énergie déclinante. Chaque particule virtuelle, comme précédemment, s'entoure de son cosmos virtuel et chacune à son tour fait de même et cela indéfiniment. Le vide est constitué d'un nuage virtuel flottant de manière aléatoire. L'activité frénétique autour du moindre électron, du moindre proton, nous éloigne à jamais de l'image paisible que la plupart des philosophes attribuent au mot « vide ». (…) Aucune particule, même « au repos », ne jouit de la pleine tranquillité. (…) ce que nous appelons communément « force » est, selon la pensée quantique, un phénomène collectif causé par l'échange d'innombrables particules virtuelles. (…) Concrètement, la création simultanée d'un électron et d'un positon peut être réalisée au moyen de rayons gamma d'énergie supérieure à 1,022 MeV (deux masses d'un l'électron). (…) Le « réel » est produit à proximité de « réel », à partir du virtuel. Le vide est donc l'état « zéro particule réelle ». Mais la présence de particules réelles provoque la réalisation de particules virtuelles et on s'aperçoit qu'elles existent nécessairement au préalable. Le vide est donc plein de particules virtuelles. On réalise alors que le réel n'est autre qu'une transformation s'exerçant sur des particules virtuelles, une sorte d'excitation coordonnée de celles-ci. »

Maurice Jacob dans « Au cœur de la matière » :

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

Qu'est-ce qu'une étoile ?

Robert Paris — 2021-03-04T23:05:00Z

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QU'EST-CE QU'UNE ETOILE ?

L'étoile est un objet étrange de la nuit. Et d'abord parce qu'il émet sans cesse une énergie, notamment sous forme de lumière, qui est extraordinairement importante. Il la produit par lui-même pendant des durées très longues, ce qui ne peut que nous étonner, nous humains, qui n'avons sur terre aucune expérience d'un objet capable de brûler durant autant de temps. Il faut dire que le soleil ne brûle pas comme les objets sur terre. Son énergie ne provient pas d'une combustion du type de celle d'un feu de bois. Elle provient de l'énorme énergie emmagasinée dans les noyaux atomiques de la matière et qui est libérée dans des explosions du type des bombes atomiques.

La deuxième étrangeté de l'étoile est qu'il s'agit d'une boule globalement stable mais qui n'est pas solide. Sa stabilité globale n'est pas mise en cause par ces bombes atomiques et même, au contraire, elle est fondée sur elles. Leur énergie équilibre la gravitation et sans elles l'étoile s'effondrerait immédiatement sur elle-même.

Il s'agit d'un des exemples les plus saisissants d'auto-organisation qui se déroule, si l'on peut dire, sous nos yeux, puisque des étoiles naissent en ce moment en plein ciel et sont visibles avec de modestes instruments !

En effet, l'étoile émerge d'une concentration de gaz et de poussière et elle fait également émerger des lois nouvelles.

Université de tous les savoirs
Sylvie Vauclair dans « qu'est-ce qu'une étoile ? »

« Qu'est-ce qu'une étoile ?

Une étoile est une sphère « auto-gravitante », c'est-à-dire une énorme boule de gaz chaud, en équilibre sous l'effet de son propre poids. Le Soleil, étoile moyenne typique, a une masse de deux milliards de milliards de milliards de tonnes, ce qui correspond à 333.000 fois la masse de la Terre. Son rayon est de 700.000 kilomètres, soit cent fois environ celui de la Terre. Les autres étoiles ont des masses comprises entre 0,01 et 100 masses solaires environ et leurs rayons peuvent être très variables suivant l'étape de leur évolution : typiquement entre un dixième et plus de mille rayons solaires, depuis les naines jusqu'aux supergéantes. (…) Toute l'étoile est stabilisée sous l'effet, d'une part du poids de ses atomes qui tend à la concentrer, d'autre part des forces de pression internes qui la maintient dans ses dimensions d'équilibre. Encore faut-il que l'étoile ait suffisamment d'énergie pour préserver longtemps cet équilibre. En effet, étant constituée de gaz chaud, elle rayonne et perd une énergie qui doit être compensée de l'intérieur. Nous savons à présent que cette énergie provient essentiellement des réactions nucléaires qui se produisent dans ses régions centrales. «

La formation d'étoiles est due à l'effondrement d'un nuage de gaz et à sa fragmentation possible en plusieurs proto-étoiles, lesquelles s'échauffent à mesure qu'elles se contractent. La température peut alors atteindre une valeur telle que le cœur « s'allume » : l'hydrogène fusionne en hélium, fournissant l'énergie qui arrête l'effondrement. L'étoile entre alors dans la séquence principale où elle passe la majeure partie de sa vie. L'énergie produite par cette conversion est progressivement évacuée par l'étoile à la fois par convection et par radiation et s'échappe finalement de la surface de l'étoile sous forme de rayonnement, de vents stellaires et de neutrinos. Son évolution ultérieure dépend essentiellement de sa masse. Plus celle-ci est élevée, plus l'étoile est en mesure d'amorcer des réactions de fusion avec des éléments chimiques de plus en plus lourds. Elle peut ainsi synthétiser du carbone, puis de l'oxygène, du néon, etc. La quasi-totalité des éléments plus lourds que l'hélium est produite dans les étoiles (on parle de nucléosynthèse stellaire) dans les derniers stades de leur évolution. Si une étoile est suffisamment massive pour synthétiser du fer, alors elle est vouée à connaître une fin paroxystique sous forme de supernova : son cœur implose et ses couches externes sont disloquées par le processus. Le résidu laissé par l'implosion du cœur est un objet extrêmement compact, qui peut être soit une étoile à neutrons, éventuellement détectable sous la forme d'un pulsar, soit un trou noir. Les étoiles moins massives connaissent une fin de vie moins violente : elles perdent peu à peu la majeure partie de leur masse, qui forme par la suite une nébuleuse planétaire, et voient leur cœur se contracter lentement pour former une naine blanche.

Qu'est-ce qu'un photon lumineux (encore appelé boson) ?

Robert Paris — 2021-01-25T23:05:00Z

La physique a découvert que la matière, comme la lumière, est constituée de « grains » appelés particules. La matière serait appelée fermions, c'est-à-dire particules obéissant à la règle de Fermi qui empêche les particules de même état de s'agglomérer du fait du « principe de Pauli ». Les fermions sont de deux types : leptons (comme l'électron) ou quarks (constituant des neutrons et des protons). La lumière – expression employée ici pour regrouper toutes les particules dites d'interaction - serait formée de bosons, c'est-à-dire de particules qui obéissent à la règle de Bose qui concerne des particules qui ont tendance à s'agglomérer dans un état commun.

Lumière quantique

Si Max Planck a découvert que l'énergie se transmettait uniquement par quantités entières (un, deux, trois, etc.) d'un quanta, c'est Einstein qui a développé cette découverte en ce qui concerne l'existence de grains de lumière, ce qui allait complètement à l'encontre de l'apparence ondulatoire retenue jusque là pour la lumière, c'est-à-dire tous les phénomènes de type électromagnétique. C'était une véritable révolution qui a ouvert, avec le travail de Planck sur l'émission du corps noir, la physique quantique.

Finalement, il s'est avéré que la lumière était capable de développer des phénomènes de type ondulatoire et de type corpusculaire et De Broglie a découvert que la matière, que l'on croyait uniquement corpusculaire, avait également des propriétés ondulatoires. Gilles Cohen-Tannoudji écrit dans « Dictionnaire de l'ignorance » :

« En 1905, Einstein (…) retrouve la formule de Planck pour le rayonnement du corps noir sans la faire dépendre d'un modèle de résonateurs, mais en supposant que c'est le rayonnement électromagnétique lui-même qui a une structure granulaire : les grains qui portent l'énergie électromagnétique sont de véritables atomes de lumière, ce qu'on a appelé, bien plus tard, des photons. A partir de cette conception, Einstein parvient à expliquer l'existence d'un seuil photoélectrique, un phénomène qui jusque-là était incompris : pour qu'un photon puisse arracher un électron à un atome, il faut que son énergie soit suffisante, donc d'après l'équation E = h fois fréquence, que la fréquence soit suffisante. »

Finalement, on a renoncé à une simple image (onde ou corpuscule) qui soit ou l'un ou l'autre ou même qui soit et l'un et l'autre. Il s'agit de deux éléments, certes contradictoires puisqu'ils ont des propriétés opposées, qui sont des niveaux de description de la même réalité.

Il faut donc autre chose. Nous y reviendrons.

Mais, revenons à la découverte d'Einstein. Elle provient de l'expérience de l'effet photoélectrique.

"Cet effet, découvert en 1887 par le physicien allemand Heinrich Hertz consiste en l'éjection de charges électriques nommées électrons de la surface d'un métal soumise à l'action d'un rayon lumineux. Dans les métaux, les électrons sont en effet très faiblement attachés à leurs atomes. Quand un faisceau lumineux frappe la surface d'un métal, il lui communique son énergie. L'énergie lumineuse transmise au métal agite les électrons dans les atomes et ceux qui sont le plus faiblement attachés sont éjectés. A priori, vous vous dites que si vous voulez augmenter la vitesse des électrons éjectés (qui dépend du carré de la vitesse), il vous suffit d'augmenter l'intensité du faisceau lumineux. Or, à votre grande surprise, il n'en est rien. Quand la lumière devient plus intense, ce qui augmente, ce n'est pas la vitesse des électrons éjectés, mais leur nombre. En fait, le sel moyen d'augmenter la vitesse et donc l'énergie des électrons éjectés, c'est de changer la fréquence de la lumière en remplaçant la lampe (...) A de plus basses fréquences encore, les électrons ne sont plus éjectés, quelle que soit l'intensité de la lumière. Pour une raison mystérieuse, c'est la fréquence de la lumière (et donc sa couleur) qui dicte le comportement des électrons, et non son intensité. Pour expliquer ce curieux comportement des électrons éjectés de la surface d'un métal, Einstein n'y va pas par quatre chemins. Il remet en cause la notion communément admise de nature ondulatoire de la lumière et avance l'hypothèse hardie que l'effet photoélectrique ne peut se comprendre que si la lumière absorbée par le métal n'est pas une onde continue, mais est composée de "grains" ou quanta d'énergie, appelés encore photons. Chaque photon porte une quantité d'énergie bien définie. Cette énergie ne peut prendre n'importe quelle valeur, mais doit être exactement égale à un multiple de la fréquence de la lumière." écrit Trinh Xuan Thuan dans "Les voies de la lumière".

Jusque là, il y avait déjà des éléments renversants mais la suite n'a pas été inférieure en surprises. On s'est aperçu en effet que certaines expériences distinguaient pour deux photons de même fréquence entre deux types de photons si on effectuait une expérience liée au magnétisme. Il y avait donc une sensibilité du photon sur le plan magnétique qui signifiait que le photon pointait magnétiquement dans une direction. C'est la polarisation de la lumière. Mais cela signifie que le photon, neutre électriquement, ne l'est pas magnétiquement. Comment cela est-il possible ?

On a été amenés à distinguer une rotation interne du photon ce qui est aussi étrange pour une particule ponctuelle comme est censée l'être un corpuscule. Plus étrange encore, contrairement à la particule, au lieu de deux rotations pour revenir à son état de départ ce qui caractérise la rotation interne du photon, c'est une seule rotation. On exprime cela en disant que le spin de la particule est demi-entier et le spin du photon est entier.

Ce sont les relations de la particule et du photon avec le vide quantique qui expliquent ces diverses propriétés. Rappelons que le vide est constitué de particules virtuelles chargées. Elles ont une courte durée de vie contrairement aux structures "matière-particule" et "lumière-photon".

Le photon est une fusion d'une particule virtuelle et de son antiparticule. La particule est fondée sur un nuage de particules virtuelles et de leurs antiparticules.

Dans le vide, les composants du photon, particule virtuelle et son antiparticule, sont trop proches pour que les charges apparaissent. La charge électrique globale apparaît nulle. A proximité de matière, le photon est dissocié brièvement en particule et antiparticule, ce qui explique ses propriétés magnétiques.

Qu'est-ce que la lumière, le film

Le quanta de lumière

Qu'est-ce que la lumière

La matière/lumière/vide : dialectique du positif et du négatif

Robert Paris — 2021-01-18T23:05:00Z

« Toutes les choses, nous-mêmes y compris, sont faites de parties positives et négatives étroitement liées dans une interaction puissante, et toutes finement équilibrées. »
Le physicien Richard Feynman
dans « Leçons de physique »

« L'union des opposés
Voici les équations découvertes par Einstein. (...) Quand on analyse celles-ci, on constate une propriété absolument extraordinaire, ou plutôt deux propriétés qui semblent contraires, comme si deux opposés étaient contenus dans une même pochette-surprise.(...) Les lois telles qu'on les connaît à présent ne se réduisent pas à des mécanismes, elles enserrent les phénomènes au point de concilier, de dépasser des oppositions apparentes (...) Je vous accorde que c'est profondément douloureux et profondément troublant. »
Les physiciens Georges Charpak et Roland Omnès
Dans « Soyez savants, devenez prophètes »

Tout le monde sait que l'univers est polarisé électriquement. C'est ce que l'on appelle la charge. Il y a des particules positives (par exemple, le proton) et des particules négatives (par exemple l'électron) et elles constituent des dipôles électriques qui se comportent comme de petits aimants (c'est-à-dire provoquent une orientation de tous les aimants à proximité). Les aimants sont plus stables que les particules électrisées ce qui fait que le couple de deux particules d'électricité opposée peut se maintenir un certain temps malgré les interactions et les chocs.

A l'inverse, on avait depuis longtemps remarqué l'absence de mono-pôles magnétiques dans la nature et, du coup, on était étonnés de constater les particules possédant une charge électrique se maintenir. Comment s'expliquait cette apparente stabilité des particules électrisées. De même, les interactions entre particules, ou entre particule et rayonnement, rendaient apparemment impossible toute description par des objets. C'est le constat sur lequel est restée très longtemps bloquée la physique quantique, se contentant d'affirmer qu'il ne faut pas rechercher une description du réel mais seulement un calcul de probabilités. Il ne s'agissait donc plus seulement d'une physique probabiliste à la Boltzmann où les lois découlent du grand nombre d'objets concernés mais du renoncement à toute description des phénomènes observés par des interactions entre objets.

Tout d'abord, il faut constater que ce qui permet au vide d'être agité c'est qu'il existe un niveau d'énergie inférieur à l'énergie zéro du monde matériel, ce qui permet des fluctuations, au dessus comme au dessous de zéro. Ces fluctuations sont momentanées. Ils obéissent en effet à l'inégalité d'Heisenberg qui permet à une fluctuation d'énergie d'apparaître à un niveau d'autant plus important que sa durée de vie est plus courte. Il s'agit donc de pointes d'énergies assimilables à des particules ou à du rayonnement mais éphémères. On les appelle particules ou photons « virtuels » même s'il est de plus en plus évident que, peu durables, ils n'en sont pas moins réels. Donc, il y a deux sortes d' « objets » : un grain positif et un grain négatif. Entre les deux il ne peut y avoir plus d'un quanta (h/pi). Cela signifie que le produit, pour un grain, de l'énergie du grain et de sa durée de vie est exactement la quantité de Planck : h/2pi ou – h/2pi. On parle là de particules et d'antiparticules virtuelles. L'inégalité d'Heisenberg n'est donc pas un incertitude sur la réalité des choses ni un indéterminisme du réel. Elle est dû à la nature du vide, fondée sur des couples particule/antiparticule instables, se combinant sans cesse en unité (petits aimants) et se défaisant aussi sans cesse. Ces éphémères (terme qui s'oppose à durable et que je préfère à virtuel qui, lui, s'oppose à réel).obéissent aux mêmes lois exposées précédemment sur les couples de particules d'électricité opposées et à la constitution de dipôles. Par conséquent, on constate que le vide est parcouru de particules et d'anti-particules (de charge opposées aux particules) qui ont tendance à se coupler pour constituer d'éphémères aimants.

Le phénomène physique fondamental a donc lieu dans le vide quantique. Ce que l'on appelle « les fluctuations du vide », c'est l'apparition et la disparition de couples particule et antiparticule dites « virtuelles » parce qu'elles ont une durée de vide extrêmement courtes. Ce sont des cycles dans lesquels le couple de particule/antiparticule se transforme en énergie. L'ordre se transforme en désordre et le désordre en ordre. Ce phénomène se déroule en temps très court mais non nul. Ce qui se conserve dans ce cycle, c'est le produit énergie fois temps, une quantité que l'on appelle l'action. L'énergie produite est d'autant plus grande que le temps de son existence est court. Comment ce vide agité produit-il l'ordre de la matière ? Nous connaissons un monde où semblent exister des particules stables. Un électron, qui se déplace et interagit, este un électron. Par contre, la physique quantique a montré qu'il n'est pas possible de le décrire comme un objet localisé de l'espace-temps comme nous le faisons à notre échelle macroscopique. C'est l'étude du vide quantique (un désordre) qui donne la clef de la compréhension de la conservation des structures particulaires (électron, proton, etc…) : l'ordre matériel. Le phénomène à la base est du type cycle ordre-désordre. Lorsque le niveau d'énergie des couples matière/antimatière par unité de volume a baissé (expansion de l'univers), les interactions matière/antimatière ont permis que certaines particules subsistent un peu plus que le temps de Planck, seuil à partir duquel un ordre structurel a pu subsister. Il est fondé sur le phénomène suivant : une particule matérielle M se déplace dans le vide ; elle s'approche d'un couple particule P+ /antiparticule P- ; le couple P+ /:P- s'oriente par la répulsion des deux particules M et P+ (électricités de même signe) ; la particule M se couple avec P- et libère P+. Le couple M/P- se transforme en énergie. Bilan : la particule M s'est transformée dans la particule P-, exactement du même type. La nouvelle particule n'a pas eu le temps de s'éloigner beaucoup car la transformation se réalise dans un temps très court. Du coup, il y a saut mais il y a toujours une particule dans une zone limitée de petite taille. Apparemment, il n'y a rien de changé, mais en fait ce n'est pas la même particule. Il y a eu un saut, à la fois dans la position et dans l'identité de la particule. Nous verrons plus tard que cette image permet de décrire l'ensemble du phénomène quantique et notamment les sauts d'état et le fait que le phénomène est à la fois particule et onde, localisé et généralisé, corpuscule et nuage. Le nuage est en effet constitué des couples particules/antiparticules du vide (polarisation) qui sont orientés en cascade par l'électricité de la particule. Remarquons simplement à ce stade que l'on a ainsi de multiples cycles ordre-désordre. On le montrera également dans les interactions matière/lumière puisque la lumière se décompose en couples particule/antiparticule. L'absorption ou l'émission d'un photon sont similaires au phénomène (matière/vide) dont nous avons décrit précédemment les étapes. A chaque fois qu'un couple particule/antiparticule se transforme en énergie, un ordre se transforme en désordre, des objets localisés se transforment en agitation non-localisée et se propageant dans l'espace (c'est-à-dire se propageant aux autres couples éphémères particules/antiparticules).

La contradiction particule/antiparticule qui est à la base de l'édifice matière/vide/énergie est un contradiction dans laquelle les contraires ne s'éliminent jamais définitivement, dans laquelle les opposés se composent, s'interpénètrent, se produisent mutuellement. En somme, la contradiction fondamentale de la matière et du vide est dialectique .

La physique accorde donc un rôle fondamental au vide plutôt qu'à des particules élémentaires. Les éléments de base sont devenus ce que l'on appelle les particules, les antiparticules et les photons du vide, encore appelés corpuscules virtuels. Ils ont été appelés ainsi car ils ne sont pas perceptibles à notre échelle, étant trop fugitifs. A ce propos, le physicien quantique Jean-Marc Lévy-Leblond en affirmant dans « Aux contraires » : « Il est convenu dans le jargon professionnel courant d'y parler de quantons « virtuels » opposés, bien entendu, aux quantons réels. Nous allons être conduits à révoquer en doute cette opposition. » C'est à propos des éléments du vide et de ceux de la matière/lumière que Jean-Marc Lévy-Leblond parle de « dialectique du réel et du fictif ». Si la matière seule peut constituer l'espace-temps permettant aux particules virtuelles d'apparaître pour nous, la matière/lumière est produite par ces éléments virtuels. Le virtuel produit sans cesse du réel et le réel du virtuel suivant les mécanismes absorption/émission de photon et création/annihilation de matière dans le vide, qui sont les deux principaux mécanismes fondamentaux de la physique.

Comme l'écrivent Edgard Gunzig et Isabelle Stengers à propos de la physique quantique des interactions fondées sur l'habillage des particules par des particules « virtuelles » : « Une telle situation ferait peut-être les délices d'un philosophe dialecticien puisque l'interaction est définie à partir d'acteurs libres, alors même qu'elle est à la négation de cette liberté. » Toute apparente stabilité de l'équilibre global ou toute loi de conservation n'est rien d'autre qu'un voile posé sur des oppositions irrémédiables. Le couple particule/antiparticule est la négation du photon et le photon est lui-même la négation du couple particule/antiparticule. Il ne s'agit pas d'une négation logique puisque sans cesse le photon se décompose et se recompose en couple particule/antiparticule éphémère. L'apparente stabilité du photon n'est rien d'autre que le cycle matérialisation/dématérialisation du photon (dont le rythme fixe sa fréquence). Le corpuscule le plus « simple », celui de lumière n'est donc rien d'autre que la fameuse « négation de la négation ».

Le réel est une négation du virtuel et inversement. La matière est la négation du vide et inversement. La charge négative est la négation de la charge positive mais ensemble elles donnent une nouvelle entité, le photon capable de se décomposer à nouveau en contraires, particule et antiparticule. C'est ce processus qui permet à la particule de matière d'avoir une existence apparemment sans rupture à condition de ne pas chercher à la positionner avec précision. Comme on l'exposera plus tard, la particule apparaît être durable parce qu'elle migre de particules virtuelles en particules virtuelles au sein de son nuage de polarisation. La conservation de la matière est donc une négation de la négation comme le remarque Michel Cazenave dans « Le vide », ouvrage collectif dirigé par Edgard Gunzig et Isabelle Stengers : « Nous avons fait ressortir (...) ce caractère du vide en tant que conjonction des opposés. (...) Conjonction des opposés qui ne trouve son vrai sens que dans la mesure, néanmoins, où elle correspond au plus près à une dialectique des modes d'être. (...). C'est la négation du principe d'identité. (...) Proclus : ''Je définis au sujet du mode des négations qu'elles ne sont pas privatives de ce sur quoi elles portent, mais productives de ce qui est'' (...) et tout au terme de la course , c'est la négation de la négation elle-même. (...) Si l'on accepte de suivre cette pensée dialectique dans sa rigueur tout interne, on s'aperçoit en même temps comment tombent les objections qu'on oppose à ce modèle. (...) Ce que nous voulions montrer, c'est qu'il existe une logique de la pensée du vide »

Les contradictions du vide diélectrique produisent les contradictions des particules de matière et de lumière qui produisent elles-mêmes les contradictions de la matière à notre échelle (macroscopique) entre l'ordre et le désordre et qui ont produit le vivant et l'homme. C'est un cheminement fantastique qui se déroule sans cesse à la frontière fractale de l'ordre et du désordre et qui concerne non les individus mais les grands groupes d'interactions entre ces individus.

L'action est négation de la négation de la stabilité de structure. La négation de la particule virtuelle est l'antiparticule virtuelle (elles s'annulent mutuellement pour donner du rayonnement virtuel). La négation du couple particule/antiparticule virtuels est le photon lumineux (réel). La négation du couple photon et nuage engendré par le couple particule/antiparticule est la particule « réelle » qui l'absorbe. La négation de la particule réelle est l'antiparticule réelle… etc La négation n'est pas un opposé logique. C'est un processus dynamique par lequel le photon ou la particule sont détruits puis reconstruits, niés puis reconstitués par « négation de la négation » que sont l'apparition et la disparition du photon transformé en couple particule/antiparticule ou encore les cycles matérialisation/dématérialisation des particules par interaction avec ces couples virtuels du vide. Ces rétroactions permanentes et en cascade ont lieu et s'organisent spontanément en constituant des structures. Chaque niveau produit un niveau supérieur d'organisation.

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

* 01- Les contradictions des quanta

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

* 03- Matière et lumière dans le vide

* 04- Le vide, … pas si vide

* 05- Le vide destructeur/constructeur de la matière

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

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

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

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

* 10- Les bulles de vide et la matière

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

* 12- La symétrie brisée

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

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

* 15- Qu'est-ce que la gravitation ?

* 16- Big Bang ou pas Big Bang ?

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

* 18- Qu'est-ce que l'atome ?

* 19- Qu'est-ce que l'antimatière ?

* 20- Qu'est-ce que le vide ?

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

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

http://www.matierevolution.fr/spip.php?article568'>* 23- Qu'est-ce que la dualité onde-corpuscule

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

* 25- Lumière quantique

* 26- La discontinuité de la lumière

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

* 28- Les discontinuités révolutionnaires de la matière

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

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

* 32- Quelques notions de physique moderne

* 33- Qu'est-ce que le temps ?

* 34- Henri Poincaré et le temps

* 35- La physique de l'état granulaire

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

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

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

* 39- Conclusions provisoires sur la structure de la matière

* 40- L'idée du non-linéaire

La discontinuité de la lumière

Robert Paris — 2021-01-02T23:05:00Z

Lorsqu'on observe l'arc en ciel, on croit à la continuité du spectre des fréquences lumineuses qui correspondent aux couleurs. Cependant cette apparente continuité est une somme de bandes discontinues correspondant aux fréquences d'émission et d'absorption des corps comme le montre le tableau suivant :

Le spectre solaire contient ainsi des bandes noires qui séparent les bandes colorées. Il y a des fréquences pour lesquelles aucun corps n'émet ni n'absorbe de lumière.

Discontinuités du spectre du Soleil à haute résolution entre 400 et 700 nm, obtenu avec le spectrographe du télescope MacMath de l'observatoire Kitt Peak en Arizona.

Le spectre de la lumière solaire

D'une manière plus générale, la discontinuité de la lumière s'est révélée bien plus fondamentale puisque celle-ci (ainsi que toutes les formes de transmission d'énergie d'interaction) est quantifiée et donc discrète et discontinue. Le quanta de lumière est appelé photon. Mais il existe aussi des quanta d'autres interactions, qui sont le méson ou le gluon.

Trinh Xuan Thuan explique dans "Les voies de la lumière" :

"La discontinuité de la lumière solaire

"Les atomes de gaz du Soleil (ou de toute autre étoile) émettent de la lumière à des énergies très précises qui produisent des raies lumineuses dans son spectre. le spectre d'une étoile s'obtient en décomposant sa lumière à l'aide d'un prisme en ses différentes composantes d'énergie ou de couleur. Quand la lumière est ainsi décomposée, elle semble à première vue présenter un spectre continu. Mais un examen plus fouillé avec un spectroscope révèle que le spectre de la lumière solaire n'est nullement continu, mais haché par des centaines de raies verticales. le physicien allemand Joseph von Fraunhofer (1787-1826), inventeur du spectroscope, en catalogua plus de six cents ! Le physicien danois Niels Bohr nous a expliqué en 1913 que cette discontinuité de la lumière est liée à la discontinuité de la matière. En effet, dans le modèle atomique de Bohr, les électrons au sein d'un atome ne peuvent aller où bon leur semble, mais sont dans l'obligation d'évoluer dans des orbites bien définies, à des distances bien précises du noyau. Un grain de lumière est émis chaque fois qu'un électron accomplit un saut quantique d'une orbite éloignée à une orbite plus rapprochée du noyau. L'énergie du grain est très exactement égale à la différence entre l'énergie de l'orbite de départ et celle de l'orbite d'arrivée. La disposition des raies lumineuses dans le spectre reflète donc fidèlement l'arrangement des orbites des électrons au sein de l'atome. Cet arrangement est unique pour chaque atome. Il constitue une sorte d'empreinte digitale, de carte d'identité de l'élément chimique. (...) Ce sont ces spectres qui nous ont révélé la composition chimique des étoiles, des galaxies et de l'univers tout entier.

"Une infinité de chemins

"Le chemin du photon de lumière peut sembler continu et en ligne droite à l'image du rayon lumineux. (...) Mais, comme le dit Feynman : "En réalité, la lumière ne se propage pas seulement en ligne droite. Elle "sent" et emprunte aussi les trajets aux alentours de la ligne droite, occupant ainsi un très petit volume d'espace avoisinant."

Matière et lumière évoluent dans un vide qui n'est pas vide et qui est constitué des mêmes particules et antiparticules que la matière mais ayant une durée de vie très brève, encore appelées virtuelles. Ce sont elles qui entourent les particules et antiparticules durables, dites réelles. La lumière, le photon, est constituée d'un électron virtuel et d'un antiélectron (positon) virtuel collés. Ils s'échangent avec les autres particules virtuelles du vide. C'est la base de tous les phénomènes quantiques de la lumière (propriétés magnétiques de la lumière, polarisation de la lumière, interactions avec la matière, caractère discontinu du spectre, fentes de Young, caractère statistique de la physique).

Matière et lumière dans le vide

Sur la discontinuité de … la lumière

La lumière, et partant les forces d'interaction, ont longtemps été considérées comme continues, alors même que la matière était déjà considérée comme discontinue, atomique. C'est la physique quantique qui a montré que la lumière n'était pas moins discontinue que la matière. Les interférences, qui semblaient l'expérience la plus démonstrative du caractère ondulatoire et donc continu de la lumière. L'expérience des fentes de Young (une émission peut passer dans l'un des deux trous et on constate des franges d'interférence - alternativement claire et sombre) semblait trancher dans le sens ondulatoire. Cela a été le contraire puisque les particules de lumière, les photons, peuvent être envoyés un par un et captés un par un sur l'écran. Cependant, même si l'émission est réalisée ainsi, photon par photon, sur l'écran les figures d'interférence se réalisent progressivement à partir d'un très grand nombre de photons émis. Cela a complètement cassé l'image des interférences conçues comme un produit de la continuité des ondes. Et ce n'était pas fini : l'expérience de l'effet photoélectrique (un photon suffisamment énergétique arrache des électrons de la matière) a montré le caractère discontinu de la lumière, entraînant la physique quantique vers un renoncement à la continuité aussi bien pour la lumière que pour la matière.

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

« L'effet photoélectrique et la structure discontinue de la lumière

La découverte et l'étude du phénomène photoélectrique a réservé aux physiciens une très grande surprise. Ce phénomène consiste en ceci qu'un morceau de matière exposé à l'action d'une radiation de longueur d'onde suffisamment courte projette souvent autour de lui des électrons en mouvement rapide. La caractéristique essentielle du phénomène est que l'énergie des électrons expulsés est uniquement fonction de la fréquence de la radiation incidente et ne dépend nullement de son intensité. Seul le nombre des électrons dépend de l'intensité incidente. (..) Mr Einstein a eu, en 1905, l'idée très remarquable que les lois de l'effet photoélectrique indiquent l'existence pour la lumière d'une structure discontinue où les quanta interviennent. (…) Lorsqu'un électron contenu dans la matière recevra un grain de lumière, il pourra absorber l'énergie de ce grain et sortir de la matière où il était enfermé, à condition toutefois que l'énergie du grain de lumière soit supérieur au travail nécessaire à l'électron pour sortir de la matière. L'électron ainsi expulsé par l'action de la lumière possèdera donc une énergie cinétique égale à l'énergie du grain de lumière absorbée diminuée du travail dépensé pour sortir de la matière : cette énergie cinétique sera donc une fonction linéaire de la fréquence de la radiation incidente, le coefficient angulaire de la droite qui la représente étant numériquement égal à la constante de Planck. (…) Telle est l'interprétation des lois de l'effet photoélectrique proposée en 1905 par Einstein. Il l'avait appelée la théorie des quanta de lumière. Aujourd'hui nous l'appelons la théorie des photons, car nous avons donné aux grains de lumière le nom de photons. Depuis trente ans, l'existence du photon a reçu de nombreuses confirmations. (…) L'étude de l'effet photoélectrique des rayons X et gamma a permis de soumettre à une épreuve très rigoureuse l'exactitude de la relation photoélectrique d'Einstein (…) la découverte d'un autre phénomène est venu en 1923 fournir une nouvelle preuve de l'existence du photon. Nous voulons parler de l'effet Compton. On sait que, si une radiation vient frapper un corps matériel, une partie de l'énergie de cette radiation est, en général, éparpillée dans toutes les directions sous forme de radiation diffusée. La théorie électromagnétique interprète cette diffusion en disant que, sous l'influence du champ électrique de l'onde incidente, les électrons contenus dans le corps matériel entrent en vibration forcée et deviennent des sources de petites ondes sphériques secondaires qui diffusent ainsi dans toutes les directions une partie de l'énergie apportée par l'onde primaire. D'après cette interprétation, la vibration diffusée sous l'action d'une onde primaire monochomatique doit avoir très exactement la même fréquence que cette onde primaire. (…) Mais une étude plus précise de la diffusion des rayons X par la matière a permis de constater qu'à côté de la diffusion sans changement de fréquence prévue par la théorie électromagnétique, il se produisait une diffusion avec diminution d e fréquence tout à fait impossible à prévoir par le raisonnement classique. (…) La radiation diffusée a une fréquence variable avec l'angle de diffusion, mais indépendante de la nature du corps. diffuseur. Mr Compton, et presque en même temps Mr Debye, ont eu l'idée que ces lois pouvaient s'interpréter en assimilant la diffusion avec changement de fréquence à un choc entre un photon incident et un électron contenu dans la matière. Au moment du choc, il y a échange d'énergie et de quantité de mouvement entre le photon et l'électron et, comme l'électron peut en général être considéré comme presque immobile en comparaison du photon, c'est toujours le photon qui perd de l'énergie au profit de l'électron. La fréquence du photon étant proportionnelle à son énergie, il y a abaissement de la fréquence au moment du choc. (…) L'effet Compton a apporté à la théorie des photons une éclatante confirmation. (…) On peut encore citer comme confirmation de la conception des photons la découverte de l'effet Raman un peu postérieure à l'effet Compton. (…) Bref, depuis trente ans, l'hypothèse d'après laquelle l'énergie lumineuse présenterait une structure granulaire s'est montrée très féconde et il n'y a pas de doute qu'elle ne nous révèle un aspect essentiel de la réalité physique. (…) Mais comment imaginer l'existence de grains de lumière insécables alors que les expériences d'interférences montrent qu'on peut obtenir des trains d'onde cohérents de plusieurs mètres ? Si l'on suppose l'énergie lumineuse concentrée en grains bien localisés dans l'espace, comment comprendre l'existence même des interférences ? (...)

La découverte de l'effet photoélectrique indiquait la nécessité de revenir vers une conception de ce genre (granulaire), mais en même temps, la forme même de la relation d'Einstein montrait qu'il fallait unir la conception granulaire et celle des ondes, de manière que les deux termes de la relation aient un sens physique.

Il faut signaler une difficulté plus subtile. Dans les conceptions classiques, l'énergie d'un corpuscule est une grandeur qui a une valeur parfaitement déterminée. Par contre, dans la théorie du rayonnement, on ne peut jamais considérer un rayonnement comme strictement monochromatique : un rayonnement contient toujours des composantes dont les fréquences occupent un petit intervalle spectral, intervalle qui peut être très petit, mais ne peut être rigoureusement nul. C'est un fait sur lequel P. Planck a beaucoup insisté dans ses exposés sur la théorie du rayonnement. Dès lors, la relation d'Einstein qui égale l'énergie du corpuscule de lumière au produit par h de la fréquence de l'onde classique correspondante, a quelque chose de paradoxal puisqu'elle égale une quantité bien définie à une autre qui ne l'est pas. Le développement de la mécanique ondulatoire a montré plus tard quel était le sens véritable de cette difficulté.

En résumé, l'hypothèse des photons, merveilleusement adaptée à l'interprétation de l'effet photoélectrique et de l'effet Compton, ne peut pas conduire à une théorie purement corpusculaire des radiations. (…)

Nous ne pouvons pas explorer directement l'intérieur de l'atome, ce microcosme inimaginablement petit où toutes les grandeurs sont des fractions infimes de celles que nous pouvons percevoir. La structure de l'atome ne peut nous être révélée que par des phénomènes observables à notre échelle qui sont des conséquences de cette structure. Au nombre de ces phénomènes, figurent les spectres de raies lumineuses qui sont émis dans certaines conditions d'excitation thermique ou électrique par les atomes des corps simples. Ces raies lumineuses sont, en effet, caractéristiques des atomes qui les émettent : elles correspondent à des événements qui se produisent à l'intérieur de ces atomes et peuvent par suite nous renseigner sur leur structure. (…) L'exploration du spectre de l'hydrogène en dehors des limites du visible a révélé l'existence d'une série ultraviolette (série de Lyman) et de séries infrarouges (séries de Pashen, de Brackett, de Pfund) (…) Pour chaque atome, il est possible de trouver une suite de nombres, appelés les termes spectraux de l'atome considéré, tels que la fréquence de toute raie spectrale de cet atome soit égale à la différence de deux de ces termes spectraux. (…)

Nous voici donc amenés à parler de cette fameuse théorie quantique de l'atome que Mr Bohr développa pour la première fois en 1913. (…) L'idée essentielle de Bohr, c'est qu'à l'intérieur de l'atome, les électrons ne peuvent se trouver que dans certains états stationnaires d'énergie quantifiés. (…) Elle a admis que, sur chaque niveau quantifié, il ne peut y avoir plus d'un nombre maximum d'électrons. (…) Mr Bohr a admis que l'atome dans ses états stationnaires ne rayonne pas, ce qui revient à nier la possibilité d'appliquer la théorie électromagnétique du rayonnement au mouvement orbital des électrons sur leurs trajectoires stables. Ayant ainsi rompu toute relation avec la théorie électromagnétique, la théorie quantique de l'atome paraissait bien désarmée pour prévoir les caractéristiques des rayonnements émis sous forme de raies spectrales. Nous avons vu comment Mr Bohr a résolu la question en ce qui concerne les fréquences des raies spectrales grâce à l'hypothèse que chaque transition entre états quantifiés s'accompagne de l'émission d'un quantum d'énergie radiante. Mais cette loi des fréquences ne précise que d'une manière bien incomplète les rayonnements émis puisqu'elle ne nous dit rien sur les intensités et les polarisations. (…) M. Bohr est parvenu en 1916 à combler, au moins partiellement, cette lacune en suivant une méthode très originale et même quelque peu déconcertante, qui consiste essentiellement en ceci : malgré l'échec de la théorie électromagnétique classique dans le domaine atomique, on cherche néanmoins à établir une certaine correspondance entre le phénomènes quantiques et les formules de l'électromagnétisme de façon à pouvoir comprendre pourquoi la théorie électromagnétique fournit une bonne représentation des faits à grande échelle. (…) En d'autres termes, d'après la théorie quantique, l'émission des raies spectrales d'un corps simple est discontinue et procède par actes individuels isolés. Il est donc assurément difficile de trouver deux conceptions plus différentes l'une de l'autre que la conception classique et celle de la théorie quantique et l'on peut au premier abord se demander légitimement si aucun pont ne pourra être construit pour les relier. (…) On s'aperçoit que cette correspondance, si toutefois elle est réalisable, ne peut être que de nature statistique. En effet, une correspondance avec l'image classique ne peut évidemment s'établir qu'en considérant simultanément l'émission de toutes les raies spectrales ; or, du point de vue quantique pour lequel l'émission de chaque quantum de radiation monochromatique est un acte individuel, cela n'est possible qu'en considérant un ensemble d'atomes de même nature en très grand nombre, ensemble où se produisent constamment des transitions de toutes sortes accompagnées de l'émission de diverses raies spectrales de l'élément considéré. D'autre part, on ne peut introduire dans la théorie quantique la notion indispensable d'intensité des diverses raies qu'en se plaçant également du point de vue statistique. L'atome quantifié, en effet, quand il subit une transition, émet un seul quantum, une seule unité, de radiation monochromatique ; pour un tel acte individuel d'émission, il ne saurait être question de l'intensité du rayonnement. Pour pouvoir définir une intensité, il faut donc encore considérer un ensemble d'un grand nombre d'atomes de même nature. (…) La nature essentiellement discontinue de la quantification, exprimée par l'apparition dans les formules de nombre entiers, les nombres quantiques, présentait un étrange contraste avec la nature continue des mouvements envisagés par la dynamique ancienne, newtonienne ou einsteinienne. (…)

Introduisons maintenant le concept de photon. Un faisceau de lumière nous apparaît comme un flot de photons et une expérience d'interférence ou de diffraction devient à nos yeux une expérience où, par suite du dispositif employé, les photons se retrouvent répartis d'une manière non uniforme dans l'espace, étant concentrés dans les franges brillantes et fuyant les franges obscures. (…) dans ces expériences, les interférences se produisent, même quand les photons arrivent un par un sur le dispositif interférentiel. Force est donc d'admettre, pour expliquer dans ce cas l'obtention finale, après de longues poses, des figures usuelles d'interférences, que l'intensité de l'onde associée à chaque photon représente en chaque point la probabilité pour que le photon se trouve en ce point. Nous sommes ainsi amenés à passer d'un point de vue statistique à un point de vue probabiliste, et le principe des interférences nous apparaît comme un principe réglant les probabilités de localisation des photons. (…) Dans un atome quantifié, il existe une série de fréquences correspondant à des états stationnaires d'énergie quantifiée. Mais, pour un tel système, tout comme pour une corde vibrante, on peut très bien envisager un état quelconque formé par une superposition d'états stationnaires (…) On ne peut plus dire que l'atome est dans un de ses états stationnaires : il est en quelque sorte à la fois dans plusieurs états stationnaires, ce qui est évidemment incompréhensible avec les conceptions classiques. Avec le principe de décomposition spectrale, la difficulté est résolue dans un sens inattendu : l'atome dans l'état envisagé peut avoir l'une quelconque des valeurs quantifiées de l'énergie représentées dans le développement spectral de son onde et cela avec des probabilités proportionnelles aux intensités des composantes spectrales correspondantes. (…)

Il est utile de réfléchir à certaines expériences classiques en optique physique. Ici encore, c'est en partant de la dualité des photons et des ondes lumineuses que nous aurons le plus de chance de pouvoir débrouiller les choses. Nous allons donc envisager une expérience bien usuelle : l'analyse spectrale d'un faisceau de lumière complexe à l'aide d'un prisme (ou d'un réseau). L'effet du dispositif employé est alors, comme on le sait depuis Newton, de séparer les diverses composantes monochromatiques contenues dans la lumière incidente. On a beaucoup discuté au 19ème siècle la question de savoir si les composantes monochromatiques isolées par le prisme existaient dans la lumière incidente ou étaient créées par l'action du prisme. Aucune réponse bien satisfaisante n'avait été donnée à cette question, mais en fin de compte l'attitude la plus prudente consistait à dire : les composantes monochromatiques existent virtuellement, en quelque sorte à l'état potentiel, dans la lumière incidente. Nous allons voir que cette opinion est confirmée par les analyses de nature quantique dont nous allons parler. »

La lumière

Lumière quantique

Robert Paris — 2020-12-18T23:14:00Z

Qu'est-ce qu'un photon ?

"Nous saurions beaucoup de choses, si nous savions ce qu'est un rayon lumineux."

Louis de Broglie

Qu'est-ce que la lumière, le film

Le quanta de lumière

Max Planck dans « Initiations à la physique » :

« L'existence de faits nombreux permet d'affirmer qu'un rayon lumineux d'une couleur donnée ne transmet pas son énergie d'une manière continue ; mais que cette énergie est partagée en particules distinctes appelées « photons » (…) Lorsque l'intensité lumineuse est forte, les photons se suivent en rangs si serrés qu'en pratique le phénomène ne se différencie pas d'une apparence d'émission continue, mais quand l'intensité de la source diminue ou quand la source s'éloigne, la densité du rayonnement devient de plus en plus faible et les photons se séparent les uns des autres. L'élément caractéristique du processus est que les gouttes d'énergie ou photons ne deviennent pas plus petites quand le rayonnement diminue, mais qu'elles sont seulement plus rares, leur grandeur demeurant constante. »

« Les photons ne sont pas complètement descriptibles et subissent des transitions spontanées dans le vide. »

David Ritz Finkelstein
dans « L'éther adamantin », article de « Le vide »,
ouvrage collectif présenté par Edgard Gunzig et Isabelle Stengers

Optique quantique, le film

Lorsqu'on observe l'arc en ciel, on croit à la continuité du phénomène du fait que le spectre des fréquences lumineuses qui correspondent aux couleurs n'admet que quelques trous. Cependant cette continuité de la lumière n'est qu'apparente. Rappelons que ce spectre continu de la lumière dite blanche est, en fait, un rayonnement thermique appelé rayonnement du corps noir dont Planck et Einstein ont montré qu'il est fondé sur des quanta, donc fondamentalement discontinu. Le rayonnement thermique est fondé sur un équilibre thermique de la cavité qui est chauffée et qui émet. Il ne dépend pas des matériaux dont est composée la cavité. Toutes les fréquences existent mais l'émission se fiait forcément par nombre entier de paquets qui sont des quanta.

La lumière naturelle

On sait depuis le 17ème siècle que la lumière « blanche » du soleil, tout autant que celle des lampes traditionnelles, est en fait composée et montre, après être passée par exemple dans un prisme, l'ensemble des couleurs de l'arc-en-ciel. (…) Il faut se rappeler que la lumière n'est en fait qu'une variété d'ondes électromagnétiques, on sait cela depuis la fin du 19ème siècle, grâce aux travaux de Maxwell et de Hertz. Ce qui la différencie est sa longueur d'onde, c'est-à-dire la distance qui sépare deux « crêtes » du champ électrique, qui est de l'ordre du demi-micron, un demi-millième de millimètre, alors qu'en radio on utilise des longueurs d'onde allant du mètre au kilomètre. (…) Les couleurs de l'arc-en-ciel correspondent tout simplement aux vibrations de longueurs d'onde différentes qui composent la lumière naturelle. (…) Dans le domaine qui est visible pour notre oeil, les grandes longueurs d'onde correspondent au rouge, soit de 0,76 microns, les plus courtes de 0,4 microns et correspondent au bleu-violet. (…) Si on observe la lumière jaune émise par la vapeur de sodium (…) on obtient non pas un spectre continu comme celui de la lumière blanche, mais ce que l'on appelle un spectre de raies. Toute l'intensité lumineuse y est concentrée autour de quelques longueurs d'onde bien définies, formant les « raies spectrales » du corps considéré. Ces raies sont connues depuis assez longtemps, et ce sont les savants allemands Kirchoff et Bunsen qui eurent l'idée, dès 1860, d'y voir une « signature » des espèces atomiques et de s'en servir pour analyser la nature chimique des corps. (…) On a ainsi accès à une caractéristique très profonde des atomes. (…) Encore plus mystérieux paraît le fait que non seulement ces raies apparaissent en émission, mais aussi en absorption. (…) En améliorant, le dispositif à prisme de Newton, celui-ci avait en effet observé que la décomposition de la lumière du soleil en spectre continu de couleurs faisait apparaître plusieurs centaines de raies noires (…) En outre, ces raies ont la même position que les raies d'émission (…) »

Dans wikipedia

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l'énergie d'une onde lumineuse dépend seulement de l'amplitude de l'onde, mais pas de sa fréquence ; or de nombreuses expériences indiquent que l'énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l'amplitude. Par exemple, certaines réactions chimiques ne sont possibles qu'en présence d'une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d'une fréquence seuil, quelle que soit l'intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l'effet photoélectrique, les électrons ne sont éjectés d'une plaque de métal qu'au-dessus d'une certaine fréquence, et l'énergie des électrons émis dépend de la fréquence de l'onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d'idée, les résultats obtenus à la fin du XIXe et au début du XXe siècle sur le rayonnement du corps noir sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ν ne peut recevoir ou émettre de l'énergie électromagnétique que par paquets de valeur bien déterminée égale à hν – ces paquets étant appelés des quanta.

Puisque les équations de Maxwell autorisent n'importe quelle valeur de l'énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l'énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l'énergie soit une propriété de la lumière elle-même. Bien qu'il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck et l'effet photoélectrique pourraient être expliqués si l'énergie de l'onde électromagnétique était localisée dans des quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendamment les uns des autres, même si l'onde elle-même était étendue continuement dans l'espace. Dans son article, Einstein prédit que l'énergie des électrons émis lors de l'effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l'onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923. En 1909 et en 1916, Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d'énergie doivent également transporter une impulsion p = h / λ, ce qui en fait des particules à part entière. L'impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton, ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.

Pendant tout le début du XXe siècle cependant, la notion de photon reste discutée, principalement en raison de l'absence d'un formalisme permettant de combiner les phénomènes ondulatoires avec les phénomènes corpusculaires nouvellement découverts. Ainsi en 1913, dans une lettre de recommandation en faveur de l'admission d'Einstein à l'académie des sciences de Prusse, Planck écrit :

« Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spéculations, il ait occasionnellement pu dépasser sa cible, comme par exemple avec son hypothèse des quanta de lumière. »

De nombreux effets mettant en évidence la nature quantifiée de la lumière peuvent en fait être également expliqués par une théorie semiclassique, dans laquelle la matière est quantifiée mais la lumière est considérée comme un champ électromagnétique classique. Parmi les phénomènes ainsi explicables, on peut par exemple citer l'existence d'un seuil dans l'effet photoélectrique, la relation entre l'énergie de l'électron émis et la fréquence de l'onde, le regroupement des photoélectrons dans un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, ainsi que la statistique poissonienne des comptes. Contrairement à une idée répandue, l'effet photoélectrique n'est donc pas la preuve absolue de l'existence du photon (bien que certaines expériences sur l'effet photoélectrique ne puissent cependant pas être expliquées par une théorie semiclassique).

L'expérience de Compton donne une existence plus tangible au photon, puisque ce dernier montre que la diffusion des électrons par les rayons X s'explique bien en attribuant au photon le moment cinétique prédit par Einstein. Cette expérience marque une étape décisive, après laquelle l'hypothèse des quanta de lumière emporte l'adhésion de la majorité des physiciens. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l'énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, Kramers et Slater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques :

• L'énergie et l'impulsion ne sont conservées qu'en moyenne, mais pas lors des processus élémentaires tels que l'absorption et l'émission de lumière. Cela permet de réconcilier le changement discontinu de l'énergie de l'atome avec les variations continues de l'énergie de la lumière.

• La causalité est abandonnée. Par exemple, l'émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique "virtuel".

Cependant, des expériences de diffusion Compton plus précises montrent que l'énergie et l'impulsion sont conservées extraordinairement bien lors des processus élémentaires, et également que le recul de l'électron et la génération d'un nouveau photon lors de la diffusion Compton obéissent à la causalité à moins de 10ps près. En conséquence, Bohr et ses collaborateurs donnent à leur modèle "des funérailles aussi honorables que possible". Sur le front théorique, l'électrodynamique quantique inventée par P.A.M. Dirac parvient à donner une théorie complète du rayonnement – et des électrons – expliquant la dualité onde-corpuscule. Depuis cette époque, et notamment grâce à l'invention du laser, les expériences confirment de manière de plus en plus directe l'existence du photon et l'échec des théories semi classiques. Il est notamment devenu possible de mesurer la présence d'un photon sans l'absorber, démontrant ainsi de manière directe la quantification du champ électromagnétique, de sorte que la prédiction d'Einstein est considérée comme prouvée.

Les éléments atomiques n'émettent que de manière discontinue comme on le voit ci-dessous :

Le spectre solaire contient ainsi des bandes noires qui séparent les bandes colorées. Il y a des fréquences pour lesquelles aucun corps n'émet ni n'absorbe de lumière.

D'une manière plus générale, la discontinuité de la lumière s'est révélée bien plus fondamentale puisque celle-ci (ainsi que toutes les formes de transmission d'énergie d'interaction) est quantifiée et donc discrète et discontinue. Le quanta de lumière est appelé photon. Mais il existe aussi des quanta d'autres interactions, qui sont le méson ou le gluon.

Sur la discontinuité quantique de … la lumière

La lumière, et partant les forces d'interaction, ont longtemps été considérées comme continues, alors même que la matière était déjà considérée comme discontinue, atomique. C'est la physique quantique qui a montré que la lumière n'était pas moins discontinue que la matière. Les interférences, qui semblaient l'expérience la plus démonstrative du caractère ondulatoire et donc continu de la lumière. L'expérience des fentes de Young (une émission peut passer dans l'un des deux trous et on constate des franges d'interférence - alternativement claire et sombre) semblait trancher dans le sens ondulatoire. Cela a été le contraire puisque les particules de lumière, les photons, peuvent être envoyés un par un et captés un par un sur l'écran. Cependant, même si l'émission est réalisée ainsi, photon par photon, sur l'écran les figures d'interférence se réalisent progressivement à partir d'un très grand nombre de photons émis. Cela a complètement cassé l'image des interférences conçues comme un produit de la continuité des ondes. Et ce n'était pas fini : l'expérience de l'effet photoélectrique (un photon suffisamment énergétique arrache des électrons de la matière) a montré le caractère discontinu de la lumière, entraînant la physique quantique vers un renoncement à la continuité aussi bien pour la lumière que pour la matière.

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

« L'effet photoélectrique et la structure discontinue de la lumière

La découverte et l'étude du phénomène photoélectrique a réservé aux physiciens une très grande surprise. Ce phénomène consiste en ceci qu'un morceau de matière exposé à l'action d'une radiation de longueur d'onde suffisamment courte projette souvent autour de lui des électrons en mouvement rapide. La caractéristique essentielle du phénomène est que l'énergie des électrons expulsés est uniquement fonction de la fréquence de la radiation incidente et ne dépend nullement de son intensité. Seul le nombre des électrons dépend de l'intensité incidente. (..) Mr Einstein a eu, en 1905, l'idée très remarquable que les lois de l'effet photoélectrique indiquent l'existence pour la lumière d'une structure discontinue où les quanta interviennent. (…) Lorsqu'un électron contenu dans la matière recevra un grain de lumière, il pourra absorber l'énergie de ce grain et sortir de la matière où il était enfermé, à condition toutefois que l'énergie du grain de lumière soit supérieur au travail nécessaire à l'électron pour sortir de la matière. L'électron ainsi expulsé par l'action de la lumière possèdera donc une énergie cinétique égale à l'énergie du grain de lumière absorbée diminuée du travail dépensé pour sortir de la matière : cette énergie cinétique sera donc une fonction linéaire de la fréquence de la radiation incidente, le coefficient angulaire de la droite qui la représente étant numériquement égal à la constante de Planck. (…) Telle est l'interprétation des lois de l'effet photoélectrique proposée en 1905 par Einstein. Il l'avait appelée la théorie des quanta de lumière. Aujourd'hui nous l'appelons la théorie des photons, car nous avons donné aux grains de lumière le nom de photons. Depuis trente ans, l'existence du photon a reçu de nombreuses confirmations. (…) L'étude de l'effet photoélectrique des rayons X et gamma a permis de soumettre à une épreuve très rigoureuse l'exactitude de la relation photoélectrique d'Einstein (…) la découverte d'un autre phénomène est venu en 1923 fournir une nouvelle preuve de l'existence du photon. Nous voulons parler de l'effet Compton. On sait que, si une radiation vient frapper un corps matériel, une partie de l'énergie de cette radiation est, en général, éparpillée dans toutes les directions sous forme de radiation diffusée. La théorie électromagnétique interprète cette diffusion en disant que, sous l'influence du champ électrique de l'onde incidente, les électrons contenus dans le corps matériel entrent en vibration forcée et deviennent des sources de petites ondes sphériques secondaires qui diffusent ainsi dans toutes les directions une partie de l'énergie apportée par l'onde primaire. D'après cette interprétation, la vibration diffusée sous l'action d'une onde primaire monochromatique doit avoir très exactement la même fréquence que cette onde primaire. (…) Mais une étude plus précise de la diffusion des rayons X par la matière a permis de constater qu'à côté de la diffusion sans changement de fréquence prévue par la théorie électromagnétique, il se produisait une diffusion avec diminution d e fréquence tout à fait impossible à prévoir par le raisonnement classique. (…) La radiation diffusée a une fréquence variable avec l'angle de diffusion, mais indépendante de la nature du corps. diffuseur. Mr Compton, et presque en même temps Mr Debye, ont eu l'idée que ces lois pouvaient s'interpréter en assimilant la diffusion avec changement de fréquence à un choc entre un photon incident et un électron contenu dans la matière. Au moment du choc, il y a échange d'énergie et de quantité de mouvement entre le photon et l'électron et, comme l'électron peut en général être considéré comme presque immobile en comparaison du photon, c'est toujours le photon qui perd de l'énergie au profit de l'électron. La fréquence du photon étant proportionnelle à son énergie, il y a abaissement de la fréquence au moment du choc. (…) L'effet Compton a apporté à la théorie des photons une éclatante confirmation. (…) On peut encore citer comme confirmation de la conception des photons la découverte de l'effet Raman un peu postérieure à l'effet Compton. (…) Bref, depuis trente ans, l'hypothèse d'après laquelle l'énergie lumineuse présenterait une structure granulaire s'est montrée très féconde et il n'y a pas de doute qu'elle ne nous révèle un aspect essentiel de la réalité physique. (…) Mais comment imaginer l'existence de grains de lumière insécables alors que les expériences d'interférences montrent qu'on peut obtenir des trains d'onde cohérents de plusieurs mètres ? Si l'on suppose l'énergie lumineuse concentrée en grains bien localisés dans l'espace, comment comprendre l'existence même des interférences ? (...)

La découverte de l'effet photoélectrique indiquait la nécessité de revenir vers une conception de ce genre (granulaire), mais en même temps, la forme même de la relation d'Einstein montrait qu'il fallait unir la conception granulaire et celle des ondes, de manière que les deux termes de la relation aient un sens physique.

Il faut signaler une difficulté plus subtile. Dans les conceptions classiques, l'énergie d'un corpuscule est une grandeur qui a une valeur parfaitement déterminée. Par contre, dans la théorie du rayonnement, on ne peut jamais considérer un rayonnement comme strictement monochromatique : un rayonnement contient toujours des composantes dont les fréquences occupent un petit intervalle spectral, intervalle qui peut être très petit, mais ne peut être rigoureusement nul. C'est un fait sur lequel P. Planck a beaucoup insisté dans ses exposés sur la théorie du rayonnement. Dès lors, la relation d'Einstein qui égale l'énergie du corpuscule de lumière au produit par h de la fréquence de l'onde classique correspondante, a quelque chose de paradoxal puisqu'elle égale une quantité bien définie à une autre qui ne l'est pas. Le développement de la mécanique ondulatoire a montré plus tard quel était le sens véritable de cette difficulté.

En résumé, l'hypothèse des photons, merveilleusement adaptée à l'interprétation de l'effet photoélectrique et de l'effet Compton, ne peut pas conduire à une théorie purement corpusculaire des radiations. (…)

Nous ne pouvons pas explorer directement l'intérieur de l'atome, ce microcosme inimaginablement petit où toutes les grandeurs sont des fractions infimes de celles que nous pouvons percevoir. La structure de l'atome ne peut nous être révélée que par des phénomènes observables à notre échelle qui sont des conséquences de cette structure. Au nombre de ces phénomènes, figurent les spectres de raies lumineuses qui sont émis dans certaines conditions d'excitation thermique ou électrique par les atomes des corps simples. Ces raies lumineuses sont, en effet, caractéristiques des atomes qui les émettent : elles correspondent à des événements qui se produisent à l'intérieur de ces atomes et peuvent par suite nous renseigner sur leur structure. (…) L'exploration du spectre de l'hydrogène en dehors des limites du visible a révélé l'existence d'une série ultraviolette (série de Lyman) et de séries infrarouges (séries de Pashen, de Brackett, de Pfund) (…) Pour chaque atome, il est possible de trouver une suite de nombres, appelés les termes spectraux de l'atome considéré, tels que la fréquence de toute raie spectrale de cet atome soit égale à la différence de deux de ces termes spectraux. (…)

Nous voici donc amenés à parler de cette fameuse théorie quantique de l'atome que Mr Bohr développa pour la première fois en 1913. (…) L'idée essentielle de Bohr, c'est qu'à l'intérieur de l'atome, les électrons ne peuvent se trouver que dans certains états stationnaires d'énergie quantifiés. (…) Elle a admis que, sur chaque niveau quantifié, il ne peut y avoir plus d'un nombre maximum d'électrons. (…) Mr Bohr a admis que l'atome dans ses états stationnaires ne rayonne pas, ce qui revient à nier la possibilité d'appliquer la théorie électromagnétique du rayonnement au mouvement orbital des électrons sur leurs trajectoires stables. Ayant ainsi rompu toute relation avec la théorie électromagnétique, la théorie quantique de l'atome paraissait bien désarmée pour prévoir les caractéristiques des rayonnements émis sous forme de raies spectrales. Nous avons vu comment Mr Bohr a résolu la question en ce qui concerne les fréquences des raies spectrales grâce à l'hypothèse que chaque transition entre états quantifiés s'accompagne de l'émission d'un quantum d'énergie radiante. Mais cette loi des fréquences ne précise que d'une manière bien incomplète les rayonnements émis puisqu'elle ne nous dit rien sur les intensités et les polarisations. (…) M. Bohr est parvenu en 1916 à combler, au moins partiellement, cette lacune en suivant une méthode très originale et même quelque peu déconcertante, qui consiste essentiellement en ceci : malgré l'échec de la théorie électromagnétique classique dans le domaine atomique, on cherche néanmoins à établir une certaine correspondance entre le phénomènes quantiques et les formules de l'électromagnétisme de façon à pouvoir comprendre pourquoi la théorie électromagnétique fournit une bonne représentation des faits à grande échelle. (…) En d'autres termes, d'après la théorie quantique, l'émission des raies spectrales d'un corps simple est discontinue et procède par actes individuels isolés. Il est donc assurément difficile de trouver deux conceptions plus différentes l'une de l'autre que la conception classique et celle de la théorie quantique et l'on peut au premier abord se demander légitimement si aucun pont ne pourra être construit pour les relier. (…) On s'aperçoit que cette correspondance, si toutefois elle est réalisable, ne peut être que de nature statistique. En effet, une correspondance avec l'image classique ne peut évidemment s'établir qu'en considérant simultanément l'émission de toutes les raies spectrales ; or, du point de vue quantique pour lequel l'émission de chaque quantum de radiation monochromatique est un acte individuel, cela n'est possible qu'en considérant un ensemble d'atomes de même nature en très grand nombre, ensemble où se produisent constamment des transitions de toutes sortes accompagnées de l'émission de diverses raies spectrales de l'élément considéré. D'autre part, on ne peut introduire dans la théorie quantique la notion indispensable d'intensité des diverses raies qu'en se plaçant également du point de vue statistique. L'atome quantifié, en effet, quand il subit une transition, émet un seul quantum, une seule unité, de radiation monochromatique ; pour un tel acte individuel d'émission, il ne saurait être question de l'intensité du rayonnement. Pour pouvoir définir une intensité, il faut donc encore considérer un ensemble d'un grand nombre d'atomes de même nature. (…) La nature essentiellement discontinue de la quantification, exprimée par l'apparition dans les formules de nombre entiers, les nombres quantiques, présentait un étrange contraste avec la nature continue des mouvements envisagés par la dynamique ancienne, newtonienne ou einsteinienne. (…)

Introduisons maintenant le concept de photon. Un faisceau de lumière nous apparaît comme un flot de photons et une expérience d'interférence ou de diffraction devient à nos yeux une expérience où, par suite du dispositif employé, les photons se retrouvent répartis d'une manière non uniforme dans l'espace, étant concentrés dans les franges brillantes et fuyant les franges obscures. (…) dans ces expériences, les interférences se produisent, même quand les photons arrivent un par un sur le dispositif interférentiel. Force est donc d'admettre, pour expliquer dans ce cas l'obtention finale, après de longues poses, des figures usuelles d'interférences, que l'intensité de l'onde associée à chaque photon représente en chaque point la probabilité pour que le photon se trouve en ce point. Nous sommes ainsi amenés à passer d'un point de vue statistique à un point de vue probabiliste, et le principe des interférences nous apparaît comme un principe réglant les probabilités de localisation des photons. (…) Dans un atome quantifié, il existe une série de fréquences correspondant à des états stationnaires d'énergie quantifiée. Mais, pour un tel système, tout comme pour une corde vibrante, on peut très bien envisager un état quelconque formé par une superposition d'états stationnaires (…) On ne peut plus dire que l'atome est dans un de ses états stationnaires : il est en quelque sorte à la fois dans plusieurs états stationnaires, ce qui est évidemment incompréhensible avec les conceptions classiques. Avec le principe de décomposition spectrale, la difficulté est résolue dans un sens inattendu : l'atome dans l'état envisagé peut avoir l'une quelconque des valeurs quantifiées de l'énergie représentées dans le développement spectral de son onde et cela avec des probabilités proportionnelles aux intensités des composantes spectrales correspondantes. (…)

Il est utile de réfléchir à certaines expériences classiques en optique physique. Ici encore, c'est en partant de la dualité des photons et des ondes lumineuses que nous aurons le plus de chance de pouvoir débrouiller les choses. Nous allons donc envisager une expérience bien usuelle : l'analyse spectrale d'un faisceau de lumière complexe à l'aide d'un prisme (ou d'un réseau). L'effet du dispositif employé est alors, comme on le sait depuis Newton, de séparer les diverses composantes monochromatiques contenues dans la lumière incidente. On a beaucoup discuté au 19ème siècle la question de savoir si les composantes monochromatiques isolées par le prisme existaient dans la lumière incidente ou étaient créées par l'action du prisme. Aucune réponse bien satisfaisante n'avait été donnée à cette question, mais en fin de compte l'attitude la plus prudente consistait à dire : les composantes monochromatiques existent virtuellement, en quelque sorte à l'état potentiel, dans la lumière incidente. Nous allons voir que cette opinion est confirmée par les analyses de nature quantique dont nous allons parler. »

La lumière, le film

La lumière

La lumière naturelle

On sait depuis le 17ème siècle que la lumière « blanche » du soleil, tout autant que celle des lampes traditionnelles, est en fait composée et montre, après être passée par exemple dans un prisme, l'ensemble des couleurs de l'arc-en-ciel. (…) Il faut se rappeler que la lumière n'est en fait qu'une variété d'ondes électromagnétiques, on sait cela depuis la fin du 19ème siècle, grâce aux travaux de Maxwell et de Hertz. Ce qui la différencie est sa longueur d'onde, c'est-à-dire la distance qui sépare deux « crêtes » du champ électrique, qui est de l'ordre du demi-micron, un demi-millième de millimètre, alors qu'en radio on utilise des longueurs d'onde allant du mètre au kilomètre. (…) Les couleurs de l'arc-en-ciel correspondent tout simplement aux vibrations de longueurs d'onde différentes qui composent la lumière naturelle. (…) Dans le domaine qui est visible pour notre oeil, les grandes longueurs d'onde correspondent au rouge, soit de 0,76 microns, les plus courtes de 0,4 microns et correspondent au bleu-violet. (…) Si on observe la lumière jaune émise par la vapeur de sodium (…) on obtient non pas un spectre continu comme celui de la lumière blanche, mais ce que l'on appelle un spectre de raies. Toute l'intensité lumineuse y est concentrée autour de quelques longueurs d'onde bien définies, formant les « raies spectrales » du corps considéré. Ces raies sont connues depuis assez longtemps, et ce sont les savants allemands Kirchoff et Bunsen qui eurent l'idée, dès 1860, d'y voir une « signature » des espèces atomiques et de s'en servir pour analyser la nature chimique des corps. (…) On a ainsi accès à une caractéristique très profonde des atomes. (…) Encore plus mystérieux paraît le fait que non seulement ces raies apparaissent en émission, mais aussi en absorption. (…) En améliorant, le dispositif à prisme de Newton, celui-ci avait en effet observé que la décomposition de la lumière du soleil en spectre continu de couleurs faisait apparaître plusieurs centaines de raies noires (…) En outre, ces raies ont la même position que les raies d'émission (…) »

Rappelons que ce spectre continu de la lumière dite blanche est, en fait, un rayonnement thermique appelé rayonnement du corps noir dont Planck et Einstein ont montré qu'il est fondé sur des quanta, donc fondamentalement discontinu. Le rayonnement thermique est fondé sur un équilibre thermique de la cavité qui est chauffée et qui émet. Il ne dépend pas des matériaux dont est composée la cavité. Toutes les fréquences existent mais l'émission se fiait forcément par nombre entier de paquets qui sont des quanta.

Nature de la lumière :

Dans wikipedia

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l'énergie d'une onde lumineuse dépend seulement de l'amplitude de l'onde, mais pas de sa fréquence ; or de nombreuses expériences indiquent que l'énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l'amplitude. Par exemple, certaines réactions chimiques ne sont possibles qu'en présence d'une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d'une fréquence seuil, quelle que soit l'intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l'effet photoélectrique, les électrons ne sont éjectés d'une plaque de métal qu'au-dessus d'une certaine fréquence, et l'énergie des électrons émis dépend de la fréquence de l'onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d'idée, les résultats obtenus à la fin du XIXe et au début du XXe siècle sur le rayonnement du corps noir sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ν ne peut recevoir ou émettre de l'énergie électromagnétique que par paquets de valeur bien déterminée égale à hν – ces paquets étant appelés des quanta.

Puisque les équations de Maxwell autorisent n'importe quelle valeur de l'énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l'énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l'énergie soit une propriété de la lumière elle-même. Bien qu'il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck et l'effet photoélectrique pourraient être expliqués si l'énergie de l'onde électromagnétique était localisée dans des quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendamment les uns des autres, même si l'onde elle-même était étendue continument dans l'espace. Dans son article, Einstein prédit que l'énergie des électrons émis lors de l'effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l'onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923. En 1909 et en 1916, Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d'énergie doivent également transporter une impulsion p = h / λ, ce qui en fait des particules à part entière. L'impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton, ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.

Pendant tout le début du XXe siècle cependant, la notion de photon reste discutée, principalement en raison de l'absence d'un formalisme permettant de combiner les phénomènes ondulatoires avec les phénomènes corpusculaires nouvellement découverts. Ainsi en 1913, dans une lettre de recommandation en faveur de l'admission d'Einstein à l'académie des sciences de Prusse, Planck écrit :

« Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spéculations, il ait occasionnellement pu dépasser sa cible, comme par exemple avec son hypothèse des quanta de lumière. »

De nombreux effets mettant en évidence la nature quantifiée de la lumière peuvent en fait être également expliqués par une théorie semiclassique, dans laquelle la matière est quantifiée mais la lumière est considérée comme un champ électromagnétique classique. Parmi les phénomènes ainsi explicables, on peut par exemple citer l'existence d'un seuil dans l'effet photoélectrique, la relation entre l'énergie de l'électron émis et la fréquence de l'onde, le regroupement des photoélectrons dans un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, ainsi que la statistique poissonienne des comptes. Contrairement à une idée répandue, l'effet photoélectrique n'est donc pas la preuve absolue de l'existence du photon (bien que certaines expériences sur l'effet photoélectrique ne puissent cependant pas être expliquées par une théorie semiclassique).

L'expérience de Compton donne une existence plus tangible au photon, puisque ce dernier montre que la diffusion des électrons par les rayons X s'explique bien en attribuant au photon le moment cinétique prédit par Einstein. Cette expérience marque une étape décisive, après laquelle l'hypothèse des quanta de lumière emporte l'adhésion de la majorité des physiciens. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l'énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, Kramers et Slater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques :

• L'énergie et l'impulsion ne sont conservées qu'en moyenne, mais pas lors des processus élémentaires tels que l'absorption et l'émission de lumière. Cela permet de réconcilier le changement discontinu de l'énergie de l'atome avec les variations continues de l'énergie de la lumière.

• La causalité est abandonnée. Par exemple, l'émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique "virtuel".

Cependant, des expériences de diffusion Compton plus précises montrent que l'énergie et l'impulsion sont conservées extraordinairement bien lors des processus élémentaires, et également que le recul de l'électron et la génération d'un nouveau photon lors de la diffusion Compton obéissent à la causalité à moins de 10ps près. En conséquence, Bohr et ses collaborateurs donnent à leur modèle "des funérailles aussi honorables que possible". Sur le front théorique, l'électrodynamique quantique inventée par P.A.M. Dirac parvient à donner une théorie complète du rayonnement – et des électrons – expliquant la dualité onde-corpuscule. Depuis cette époque, et notamment grâce à l'invention du laser, les expériences confirment de manière de plus en plus directe l'existence du photon et l'échec des théories semi classiques. Il est notamment devenu possible de mesurer la présence d'un photon sans l'absorber, démontrant ainsi de manière directe la quantification du champ électromagnétique, de sorte que la prédiction d'Einstein est considérée comme prouvée.

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