LES AIMANTS VIII- Dualité onde-corpuscule 1) Dualité onde-corpuscule En conclusion, on a expliqué l'interaction électrique, magnétique, ou électromagnétique entre particules chargées, parfois en termes de champs électriques ou magnétiques, parfois en termes d'échanges de particules (voir vidéo ci-contre à droite; le photon est noté γ et l'électron e-), les photons, comme dans le chapitre sur l'unification de l'électricité et du magnétisme, ou dans l'étude du rayonnement des pulsars. Le physicien français Louis-Victor de Broglie eut le prix Nobel de physique en 1929 pour avoir généralisé cette dualité à toutes les particules. 2) L'électrodynamique quantique Cette dualité onde-corpuscule pour les phénomènes électromagnétiques est unifiée d'une manière rigoureuse dans l'électrodynamique quantique, très belle théorie, mais d'une grande complexité mathématique. Richard P. Feynman eut le prix Nobel en 1965 pour ses contributions majeures à cette théorie, en particulier pour la découverte des diagrammes de Feynman, dont le plus simple de tous correspond à la vidéo ci-dessus, mais avec des règles de calculs très précises des phénomènes, associés à ces diagrammes. Fondamentalement, c'est l'aspect corpusculaire qui l'emporte : le photon est une particule individuelle qui ne peut pas être "coupée en deux". C'est donc le photon lui-même, tout seul, qui présente ce caractère ondulatoire, du fait de sa délocalisation. Le champ électromagnétique classique correspond en fait à un très grand nombre de photons cohérents entre eux. Une autre manière de dire cela est de considérer que le photon, à certains moments, parcourt plusieurs chemins différents en même temps (Feynman), et que ces différents chemins possibles interfèrent. C'est la théorie la plus précise de toute la physique, puisqu'elle permet par exemple de calculer l'intensité de l'aimantation associée à la rotation de l'électron sur lui-même avec une précision relative égale à la mesure de la distance de New York à Los Angeles avec une erreur inférieure à l'épaisseur d'un cheveu (Feynman, "Lumière et matière", introduction), cette prédiction théorique étant vérifiée par l'expérience avec la même précision. Ceci nécessite d'envisager plusieurs milliers de diagrammes de Feynman calculés par ordinateur. Nous présentons ci-dessus à droite les diagrammes correspondant à la correction du quatrième ordre. Correction au quatrième ordre pour l'aimantation de l'électron 3) Les photons virtuels On a un peu de mal à concevoir qu'un électron immobile puisse se mettre en mouvement de recul, donc puisse acquérir de l'énergie cinétique, en émettant un photon qui lui-même, possède de l'énergie. C'est contraire à la conservation de l'énergie. En fait, dans ce cas, le photon est virtuel, c'est à dire qu'il passe entre les deux électrons par effet tunnel. Considérons le rail de grand huit de la photo ci-contre à droite. Considérons une particule ponctuelle de masse m qui glisse sur le rail vers la grande boucle. Pour franchir cette boucle, son énergie cinétique doit être au moins égale à l'énergie potentielle en Gponctuelle. Si maintenant, on considère un long train de même masse m, qui a exactement la longueur de la boucle entière, quand il est exactement dans la boucle, son centre de gravité est en Gtrain. Pour pouvoir franchir la boucle, son énergie cinétique doit être supérieure à l'énergie potentielle en Gtrain. Il passe donc beaucoup plus facilement. Avec la même énergie, le train passe, et pas la particule ponctuelle. La mécanique quantique permet à une particule de se délocaliser temporairement et de se diluer dans un grand volume de l'espace, de façon à passer ainsi avec plus de facilité une barrière énergétique. Ce que nous venons de dire correspond aux inégalités de Heisenberg : ∆ E ∆ t ≥ /2 pour la relation d'incertitude entre le temps et l'énergie, et ∆ x ∆ p ≥ /2 pour la relation d'incertitude entre la position x et la quantité de mouvement p = m v, m étant la masse, et v la vitesse. Heisenberg a eu le prix Nobel en 1932 pour toutes ses découvertes en mécanique quantique. = h/2π , h étant la constante de Planck (prix Nobel 1918 pour la découverte de cette constante). Nous avons déjà eu recours à cette délocalisation d'une particule pour pouvoir expliquer comment un échange de particules peut mener à une force attractive. 4) L'antimatière La photographie ci-dessus à droite, montre comment la rotation dans l'espace-temps d'un diagramme de Feynman, rotation permise grâce à la relativité d'Einstein qui considère que l'espace-temps forme un tout, permet, à partir d'une simple déviation d'un électron, d'arriver à la matérialisation d'un photon en un électron et un positron. Le positron est l'antiparticule de l'électron, c'est à dire en fait, un électron remontant le temps, c'est à dire allant du futur vers le passé. À chaque particule correspond ainsi son antiparticule. L'ensemble des antiparticules 1/2 constitue l'antimatière. Du coup, le photon virtuel du diagramme de Feynman ci-dessus peut se matérialiser d'une manière éphémère en un électron et un positron, comme on le voit dans la vidéo ci-contre. L'électron ou le positron peuvent alors émettre un photon virtuel etc. Le nombre de diagrammes est donc infini. La précision du résultat numérique dépend du nombre de diagrammes considérés. Pour plus d'informations, nous renvoyons au site de ce lien. 5) Le Bremsstrahlung Nous avons vu qu'une charge accélérée (au sens algébrique, c'est à dire également, freinée) rayonne. On fabrique des rayons X en radiologie en faisant arriver des électrons très rapides sur un métal. Les électrons sont alors brutalement freinés par leurs interactions électrostatiques avec les noyaux des atomes du métal, et rayonnent des rayons X. Ce phénomène s'appelle le rayonnement de freinage. On utilise souvent le terme allemand de "Bremsstrahlung". Cidessous à droite, on peut voir la vidéo montrant le diagramme de Feynman correspondant. Les électrons obligés de suivre les lignes courbées du champ magnétique d'un pulsar, donc qui sont accélérés par le champ magnétique, rayonnent, sur ce même principe, décrit par le même diagramme de Feynman (en remplaçant le noyau atomique par le pulsar). 6) La gravitation quantique Le plus grand problème actuel en physique théorique, non résolu à ce jour, est de trouver une théorie cohérente de la gravitation quantique, analogue pour la gravitation, de l'électrodynamique quantique. La gravitation serait alors interprétée en terme d'échanges de gravitons. On sait quantifier la gravitation en champ faible, comme dans le système solaire par exemple. On sait également faire de l'électrodynamique quantique en champ gravitationnel fort, ce dernier étant traité classiquement. On arrive ainsi au rayonnement des trous noirs. Mais, à ce jour, on ne sait pas quantifier un champ gravitationnel fort, de façon par exemple à avoir une théorie quantique d'un micro trou noir.