LES AIMANTS

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
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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.