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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Les particules sont-elles élémentaires ?

Les particules sont-elles élémentaires ?

mercredi 9 juillet 2014, par Robert Paris

La seule photographie que nous ayons de l’atome, que nous croyions autrefois insécable...

Cohen-Tannoudji dans « La Matière-Espace-Temps » :

« On s’est très vite rendu compte que les « grains de liquide » (comparables aux grains de sable) n’étaient pas des atomes au sens qu’ils ne sont pas insécables. C’est pourquoi on a introduit le terme de molécules pour désigner des assemblages chimiquement stables d’atomes qui constituent les briques de la matière microscopique. Tout le monde sait maintenant qu’à partir de la molécule, c’est à un véritable emboitement de poupées gigognes qu’il faut faire appel pour décrire la chaîne de l’élémentarité ; les molécules sont faites d’atomes ; les atomes ne sont pas insécables mais on continue à les appeler atomes. Les atomes sont des « microssystèmes solaires », comportant un noyau central, entouré de quelques « planètes », des électrons, qui forment un nuage d’orbites. L’électron semble être une particule élémentaire ; tout au moins, en l’état actuel de nos moyens de connaissance, il l’est. Les noyaux, eux, ne sont pas élémentaires. Ce sont des assemblages très compacts de nucléons de deux types, le proton et le neutron. Jusqu’à une période récente, les nucléons étaient considérés comme élémentaires. L’une des grandes avancées de la physique des particules des années soixante et soixante-dix a été la mise en évidence d’un niveau d’élémentarité sous-jacent au nucléon. C’est le niveau des quarks : le nucléon est composite, c’est un assemblage de trois quarks… Toute la matière dans l’univers est faite de dix-huit quarks et six leptons. Ce n’est pas assez restreint pour que les théoriciens puissent s’en satisfaire et cela pourrait suggérer que ces particules ne sont pas le bout de la chaîne, qu’il y a un ou d’autres niveaux plus profonds d’élémentarité. »

Les particules sont-elles élémentaires ?

Après la molécule, l’atome, le noyau, la particule a semblé élémentaire puis on a pensé qu’il y a un univers entier dans l’électron, c’est-à-dire la particule de masse la plus simple. En effet, si on cherche à étudier de plus près l’électron, on y trouve à l’état virtuel, c’est-à-dire apparaissant et disparaissant très rapidement, toutes les sortes de particules dites élémentaires et des émissions de photons.

Introduction

En un sens, les découvertes de la physique contemporaines confirment l’idée de l’atome, élément fondamental de la molécule et de la formation des matériaux, et celle du noyau atomique, composé de protons et de neutrons et entouré d’électrons. Ces trois particules sont confirmées par les observations. Elles sont un fondement de la matière et composent avec les particules de lumière et d’interaction (bosons) les éléments fondamentaux de l’univers réel. Il convient d’y rajouter des particules de plus courte durée de vie, des résonances d’une part qui sont de la matière furtive et des particules virtuelles d’autre part, qui sont des éléments d’une matière d’un nouveau type, celui du vide quantique qui entoure la matière, l’oriente, la fonde même. Les particules existent donc bel et bien mais sont-elles vraiment élémentaires ? Le reste de la matière est-il seulement fondé sur des additions de particules ?

La réponse est non et ce pour plusieurs raisons. Tout d’abord, la particule n’est pas simplement un objet individuel, compact, toujours le même, tel qu’on le voyait autrefois : une chose palpable, compacte ou ponctuelle. Elle n’est ni une chose sans dimension ni une chose avec dimensions. Elle est un phénomène donné qui se modifie, passe d’un état à un autre, multiples états entre lesquels elle saute et qui sont déterminés. Elle est une somme de potentialités dans des proportions bien définies de manière probabiliste.

Par exemple chaque proton est fondé sur trois quarks et sur leurs échanges, leurs transformations mutuelles. Il n’est pas seulement la somme des trois quarks car il faut y rajouter les particules d’interaction qui empêchent notamment ses quarks de s’évader et qui les relient. Mais c’est loin d’être tout. A cet état (trois quarks) se rajoutent un nombre illimité d’autres états dans lequel le proton peut se trouver :

- trois quarks plus un gluon

- quatre quarks plus un antiquark plus un gluon

Etc, etc…

Chacun des états ci-dessus possède une probabilité définie pour chaque proton. Ce qui signifie que le proton n’est pas seulement le proton actuel mais aussi toutes ses potentialités et leurs probabilités respectives.

C’est une image très différente de ce que peut être une particule de « matière » possédant une masse au repos.

Et cette image doit encore être complétée par la nouvelle image des interactions qui est très loin de ce qu’on imaginait autrefois des « chocs » entre corpuscules. Quand deux particules se rencontrent et détournent du coup leur trajectoire, il n’y a pas seulement changement de trajectoire mais changement de particule !

Un autre changement déterminant : le nouveau rôle du vide quantique qui n’est plus le fond d’écran que représentait le vide pour la matière dans les anciennes conceptions. Le vide semblait passif alors qu’il est l’élément actif et fondateur de la matière.

Ce sont en effet des particules du vide qui interagissent sans cesse autour des particules, les entourant d’un « nuage de polarisation ». Les particules de matière ont leur équivalent dans le vide qui sont les particules virtuelles : électrons virtuels, protons virtuels, neutrons virtuels, photons virtuels, etc…. Elles ont une très courte durée de vie mais un rôle déterminant. Par exemple, les particules virtuelles du vide sont toujours accompagnées à proximité par leur antiparticule (avec laquelle elles vont très vite s’annihiler sous forme d’énergie) et le positionnement des deux (particule et antiparticule) qui ont des charges électriques opposées fonde un ballet électrique autour des particules. C’est ce qui détermine par exemple la propriété d’écrantage des particules et les protège notamment de l’attraction destructrice des particules de même charge électrique qu’elles.

L’idée d’élémentarité est bien bouleversée : à la fois parce que la particule est composite, qu’elle est changeante, qu’elle a besoin de ces changements perpétuels pour maintenir ses propriétés et sa structure, qu’elle a besoin du vide qui l’entoure pour exister, se déplacer.

L’existence du boson de Higgs rajoute le fait que la masse n’est pas inhérente à la particule de masse inerte mais transmise par un boson, particule sans masse, donc du même type que le photon lumineux.

Il faut, pour finir, rajouter que les particules n’ont conservé une certaine « élémentarité » que par rapport à l’un des quatre interactions fondamentales :

- gravitation (on ne connait pas la particule, si elle existe…)

- électromagnétisme

- force nucléaire forte

- force nucléaire faible

L’idée qu’au niveau le plus petit on allait trouver les bases de la matière est mise à mal car il n’y a pas vraiment de niveau le plus petit. Le vide, lui-même, a de multiples niveaux (virtuel, virtuel de virtuel, etc.) Et le niveau en question n’est pas élémentaire puisqu’il est composite et changeant…

L’idée d’un niveau qui se décompose en ses éléments puis d’un niveau où il n’y a plus de décomposition est battue en brèche. La décomposition ne signifie pas que l’élément était composé de telles parties : c’est une des transformations possibles de la particule. L’idée d’une seule manière de « décomposer » en éléments est elle aussi abandonnée. Non seulement l’électron n’est ni moins ni plus élémentaire que le proton, ou le proton que le neutron mais même les matières fugitives ne sont en rien plus ou moins élémentaires !

Ni la lumière ni la matière, même dans leurs manifestations dites élémentaires (un seul corpuscule) ne sont des objets. Ce sont des phénomènes d’émergence de structure et de rythme. Ils sont fondés sur un grand nombre de particules virtuelles et de photons virtuels. Ces éléments virtuels interagissent sans cesse avec la particule qui envoie sa masse d’une particule virtuelle à une autre. 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 diverses 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".

"L’électron n’est pas pensable sans son cortège de photons potentiels."écrit ainsi Gilles Cohen-Tannoudji dans "La Matière-espace-temps".

On a longtemps cherché l’"atome" c’est-à-dire l’objet insécable, fondamental, brique élémentaire de tout un édifice de construction de l’univers. La physique quantique a montré qu’il n’y a pas d’objet élémentaire dans l’absolu et même pas du tout d’objets fixes, parce que l’atome (ou la particule comme l’électron ou le proton) n’est pas pensable sans les échanges de photons qui permettent aux électrons de changer de couche atomique par exemple. Ou encore qui permettent aux diverses particules d’interagir. La matière n’a pas de relation directe avec la matière sans passer par des particules dites d’interactions. Elle les absorbe et les émet. Et elle le fait parce, potentiellement, elles font partie de son environnement appelé nuage. Le proton, le neutron ou les quarks ne sont pas plus des particules individuelles qui existent sans un nuage qui est un cortège de gluons par exemple. Cette propriété est fondamentale dans l’interprétation quantique de l’atome et de ses sauts d’un état à un autre. C’est le fondement de l’étude de l’atome par celle des émissions lumineuses, ou spectre d’émission. C’est également le fondement d’une nouvelle compréhension de la stabilité de la matière qui n’est pas fondée sur la fixité en tant qu’objets individuels mais sur des phénomènes dynamiques qui permettent la conservation de certaines propriétés grâce à des changements à grande vitesse appelés virtuels du fait que le monde à notre échelle ne les voit pas directement. Ils apparaissent et disparaissent dans un temps plus court que les temps caractéristiques des interactions de la matière et de la lumière. Même si le virtuel n’est directement "visible" ou "sensible" pour nous et nos appareils d’observation, les expériences de toutes sortes sur les particules imposent son existence qui seule peut permettre de les expliquer.

La particule est "habillée" par son nuage virtuel constitué par la transformation à proximité de la particule du vide quantique qui l’entoure. Cela signifie que toutes les caractéristiques de la particule, comme la masse ou la charge, et toutes les expériences d’interaction de la particule ne peuvent s’interpréter si on considère le corpsucule "nu" sans nuage virtuel autour.

Virtuel signifie fugitif mais signifie aussi potentiel parce que la particule peut sauter d’un point de son nuage à un autre.

Quand la particule interfère avec elle-même comme dans l’expérience des fentes de Young, la seule interpétation possible est qu’elle a à la fois traversé les deux fentes. ce n’est pas le corpuscule mais le nuage qui traverse les deux et qui interfère avec lui-même en modifiant ainsi les probabilités de présence.

Quand la particule est à la fois onde et corpuscule, c’est-à-dire avant mesure ou observation, c’est parce qu’elle est un corpuscule habillé. Quand il y a "réduction du paquet d’ondes", cela signifie que la disparition du corpuscule (mesure par un écran par exemple ou par un compteur de particules) entraîne instantanément celle du nuage. Quand une charge "sent" la charge e de l’électron, c’est le produit de l’action de l’ensemble des charges virtuelles du nuage car il y a dans le nuage des particules et des antiparticules virtuelles chargées électriquement qui se positionnent en couches autour de la particule et "écrantent" celle-ci.

Quand deux particules de charges opposées ne tombent pas l’une sur l’autre, cela provient encore une fois de la dynamique que représente le corpuscule et son nuage.

Quand une particule passe dans un trou suffisamment petit, elle perd momentanément son nuage et du coup son orientation. C’est la diffraction.

Quand la particule passe dans un "tunnel", elle se déplace quasi instantanément car elle perd momentanément son nuage. C’est son nuage qui freine la particule, définissant ainsi sa masse et sa vitesse.

La propriété de masse, loin d’être attachée à une particule, saute sans cesse d’une particule à une autre, d’un électron matériel à un électron virtuel qui sera ainsi matérialisé. La propriété « matière » saute donc d’une particule virtuelle du vide à une autre. Tout électron virtuel est destiné à devenir éventuellement réel et inversement. La réalité en question est seulement une existence à un certain niveau, le virtuel une existence non moins véritable mais à une échelle beaucoup plus courte. Tout proton virtuel peut également devenir réel et inversement. D’autre part, un proton peut se changer en neutron au sein du noyau de l’atome, et inversement. Là encore, les oppositions peuvent se changer en leur contraire. Proton en neutron comme précédemment matière en vide et vide en matière. De même le quanta d’interaction n’est pas fixe. Tout photon peut également se changer en couple matière et antimatière, par exemple électrons et positrons virtuels. Du coup, le photon peut se « mélanger » avec la matière pour produire une nouvelle matière et de nouveaux photons en échangeant des particules virtuels. Les particules peuvent aussi échanger des photons. Toutes ces interactions changent la matière et la lumière et se font par des chocs, interactions à une échelle beaucoup plus rapides que les temps caractéristiques des phénomènes sur lesquels ils agissent. De même, un quark peut se changer en un autre. La couleur n’est pas un paramètre attaché au quark mais une propriété pouvant sauter d’un quark à un autre. Un neutrino peut également se changer spontanément en un autre. Un noyau d’atome peut se changer dans un ou plusieurs autres, tout aussi spontanément.

Donc toutes les caractéristiques qui étaient attribuées autrefois à l’objet sautent et toute la dynamique est le produit de ces sauts. L’apparition de structures et de « constantes » n’est que le produit de ces échanges de propriétés ou de moyennes sur un grand nombre de particules.

La propriété électron peut se maintenir mais seulement en sautant d’un corpuscule à un autre. Si on cherche à suivre individuellement un électron, on s’aperçoit qu’il disparaît et réapparaît plus loin. Et, plus étonnant, un corpuscule peut réapparaître avant de disparaître. Il y a eu distorsion du temps. Dans ces sauts, le temps ne ressemble plus du tout à son ancienne image bien tranquille se déplaçant comme sur une ligne continue parcourue régulièrement. Dans la dynamique, le temps ne parcourt pas une succession linéaire d’instants successifs ressemblant à des points alignés comme des instants.

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."

La nature a longtemps été prise pour un ensemble d’objets fixes pouvant être mis en mouvement, modifiés ou cassés par une force externe. Cette image statique, stable, sans dynamique interne est morte. Dans tous les domaines, elle fait place à une image dynamique. Au lieu de "choses" fixes, on fait appel à des structures issues de l’agitation sous-jacente. La structure n’est qu’un mode selon lequel l’ensemble est globalement stable bien qu’en continuel changement. Les molécules du nuage changent, bougent, échangent de l’énergie, et cela même quand l’apparence extérieure du nuage reste inchangée. La stabilité de température n’est pas fondée sur l’absence d’agitation mais sur une agitation moyenne. Les éléments composants changent eux-mêmes sans cesse, comme c’est le cas des cellules d’un être vivants, ou encore de ses molécules formant ses composants biochimiques. Il n’y a pas si longtemps, on voyait encore la matière comme une construction basée sur des objets fixes. Avec des atomes, on fabriquait des molécules. Avec des électrons et des noyaux, on fabriquait des atomes. Avec des neutrons et des protons, on fabriquait des noyaux atomiques. Les particules élémentaires semblaient des objets fixes, capables seulement de se déplacer, de s’attirer, de se repousser, de se rapprocher ou de se choquer. L’électron était un individu auquel arrivait des rencontres comme à n’importe quel individu, rencontres au travers desquelles il restait lui-même. On se demandait seulement si l’électron était élémentaire ou composite. Les caractéristiques de l’électron (masse, charge, vitesse, énergie, etc.) semblaient être la preuve de la conservation d’un même objet au cours du temps.

Aujourd’hui, il en va tout autrement. L’électron n’est plus du tout vu comme un objet individuel, existant de manière stable à une seule échelle, mais comme un phénomène, une propriété qui se déplace, qui saut d’une particule à une autre au sein d’un nuage de points. C’est l’agitation du vide qui permet l’existence de l’électron comme des autres particules, agitation qui se manifeste par des apparitions et des disparitions de couples particule/antiparticule. Le noyau de l’atome lui-même n’existe que du fait d’une incroyable agitation formée non seulement par le vide mais par des myriades de particules éphémères et par des multiples échanges entre protons et neutrons et non par une fixité des neutrons et des protons.

Il apparaît donc aujourd’hui que la nature, à toutes les échelles, est formée de structures et non d’objets, des structures dissipatives donc fondées sur une agitation et tirant leur énergie du désordre sous-jacent, ces structures, espèces de membranes entourant des domaines, étant les seuils entre des désordres à plusieurs niveaux. Les désordres sont eux-mêmes le produit du combat permanent des forces contradictoires, des tendances opposées qui l’emportent ou s’inhibent mutuellement alternativement. Les constantes ne sont rien d’autre que les seuils entre deux désordres. L’ordre ne s’oppose pas diamétralement au désordre : ils sont inséparablement unis au sein de la transformation perpétuelle de la matière.

Robert Paris

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 ? »

Extrait de « Physique contemporaine et matérialisme dialectique » de Eftichios Bitsakis :

Vers la fin du siècle dernier, il était déjà clair que la conception démocritienne de l’atome, fondement de la science de ce siècle, n’était plus valable. Vers 1930, on connaissait seulement trois particules (électron, proton et photon). Mais on identifie le neutron en 1932. La même année on identifie le positron dans les rayons cosmiques. En 1935, Yukawa prévoit l’existence des pions, responsables de forces nucléaires. En 1936, on découvre les muons, plus lourds mais semblables à l’électron. Pauli en 1931 et Fermi en 1934 avancent l’hypothèse du neutrino, pour expliquer la radioactivité bêta. Vingt ans s’écouleront avant qu’on puisse signaler une interaction de cette particule avec la matière (1953). On attendra jusqu’en 1947 pour la découverte des pions. Depuis cette époque les découvertes deviennent de plus en plus fréquentes, avec les mésons lourds, les hypérons, les anti-particules des différentes particules déjà connues (antiproton 1955, antineutron 1956, etc.), et enfin avec la grande famille des « résonances », découvertes ces dernières années. (ouvrage écrit en 1973)

Comment mettre de l’ordre dans le « chaos » de la physique des particules dites élémentaires ?

D’abord, toutes ces particules obéissent aux lois générales de la physique, aux lois générales de conservation et aux lois de la mécanique quantique et de la relativité. Voilà un premier cadre général pour rechercher l’unité dans la diversité…

La contradiction au sein de la matière existe en même temps que l’unité…. Une marque de cette unité est la transformation mutuelle des entités contradictoires du microcosme. C’est ainsi qu’un boson (un photon par exemple) se transforme, dans des conditions appropriées, en un fermion et un antifermion (électron et positron). Mais la transformation inverse est aussi courante ; c’est ce que l’on appelle « dématérialisation » d’un électron et d’un positron. Deux fermions (un proton et antiproton) peuvent être transformés en plusieurs pions (le nombre peut varier, parce que, contrairement aux fermions, il n’y a pas de conservation du nombre mésonique). Ce qui est « matière » devient « champ », et inversement, et la frontière entre « champ » et « matière » n’est pas aussi absolue qu’on le croyait au début…

Le caractère de la matière, l’unité et la lutte des contraires sont encore plus nets dans les relations matière-antimatière.

On a parlé de particules et d’antiparticules… Les particules et les antiparticules ont la même masse, sont de vie moyenne égale, de spin égal, mais de charge opposée, de moment magnétique égal mais de direction opposée, de nombre baryonique (ou leptonique) et d’étrangeté opposés. Les particules avec charge zéro et étrangeté nulle, comme le photon, le pion neutre et le méso éta-zéro, sont identiques à leurs antiparticules.

Nous avons ici encore une symétrie contradictoire. Les particules constituent la matière. Les antiparticules, l’antimatière. De ce point de vue, l’univers est symétrique. Mais la partie de l’univers qui nous est accessible, et au niveau quantique, est constituée presque totalement de matière. S’il y avait une symétrie du point de vue quantitatif, notre univers se transformerait peut-être en rayonnement…

L’unité contradictoire de la matière se manifeste aussi dans la classification des particules élémentaires en un nombre de multiplites et de supermultiplites, basée sur les groupes de symétrie.

On considère par exemple le proton et le neutron comme des particules différentes. Mais si l’on néglige l’interaction électromagnétique, les deux particules sont identiques. Les forces nucléaires, et plus généralement les interactions fortes de ces particules, sont indépendantes de la charge. Dans le noyau, les interactions proton-proton, proton-neutron et neutron-neutron sont, de ce point de vue, identiques. Cette symétrie démontre l’unité et la différence des deux nucléons : on a une seule particule, avec deux états, si l’on fait abstraction de l’interaction électromagnétique, et la différence entre les deux états de nucléon se manifeste….

Mais les particules « élémentaires » sont-elles vraiment élémentaires ? A-t-on trouvé à ce niveau les constituants « ultimes » de la matière ?

Les pionniers de la physique atomique crurent avoir trouvé dans les atomes du XIXème siècle les ultimes et immuables constituants de l’univers. Mais Engels, bien avant la découverte de la radioactivité, écrivait dans « Dialectique de la nature » que les atomes ne devaient pas être considérés comme simples, et en général comme les plus petites parties de la matière, Les physiciens du début de notre siècle étaient à leur tour enclins à croire que l’électron et le proton étaient des ultimes constituants de la matière. Lénine, armé de la méthode dialectique, n’avait pas commis cette erreur. En 1908, il écrivait dans « Matérialisme et Empiriocriticisme » que « l’électron est aussi inépuisable que l’atome »…

Prenons le cas de l’électron, évoqué par Lénine. On le prenait pour une particule simple et élémentaire (on avait tendance à le voir ainsi), malgré les problèmes énormes et non résolus qu’il avait posés dès sa découverte. On a dû le doter d’un moment cinétique propre (le spin) en 1925. A la même période on devait lui attribuer des propriétés corpusculaires et en même temps ondulatoires. Avec la théorie de Dirac, on le liait encore plus profondément à la théorie relativiste, et on prévoyait l’existence de son antiparticule. On sait qu’il est créé par la « matérialisation » du photon, et qu’il se « dématérialise » en se transformant en rayonnement électromagnétique. On discute le problème de sa structure, de son étendue finie (on continue néanmoins de le considérer comme ponctuel, contre toutes les données contraires à cette simplification), etc. N’a-t-on pas ici les éléments d’une « dialectique » de l’électron ?...

La prévision de Lénine sur l’inépuisabilité de l’électron est aujourd’hui une certitude scientifique, qui concerne, évidemment, toutes les particules élémentaires. Le neutron, par exemple, est considéré comme élémentaire. Mais le neutron se transforme en un proton, un électron et un antineutrino…

Le neutron est neutre. Mais il a un moment magnétique. Et que dire de l’ « élémentarité » des résonances, qui naissent et meurent dans un intervalle de temps infinitésimal, et qui donnent naissance à deux, trois ou plusieurs particules « élémentaires » ? (…)

Personne ne considère plus aujourd’hui l’électron comme ponctuel, malgré les difficultés énormes que l’on a à construire un formalisme pour un électron non ponctuel, en accord avec la relativité.

Il y a pourtant des données expérimentales diverses, qui plaident pour la structure de l’électron, et on a avancé plusieurs hypothèses sur cette structure.

Selon le physicien Blokhintsev :

« Il y a plusieurs longueurs qui pourraient caractériser les dimensions de l’électron. Sur la base de l’électrodynamique théorique moderne, qui est élaborée mieux que n’importe quelle autre théorie du champ, il apparaît que la conclusion est que l’électron a des dimensions énormes non dix puissance moins 13 centimètres mais dix puissance moins onze centimètres (cent fois plus grand). Dix puissance moins onze centimètres (cent milliards de fois moins qu’un centimètre) est la grandeur de la région dans laquelle le vide autour de l’électron est polarisé. Nous pouvons le formuler un peu différemment : l’électron a autour de lui une atmosphère constituée de positrons et d’électrons qui s’étend jusqu’à la distance de dix puissance moins onze cm. Pourtant, à cause de la petitesse des interactions électromagnétiques, cette atmosphère est très peu dense. »

(…) On considère que les dimensions du nucléon sont de l’ordre de dix puissance moins treize centimètres et que le nucléon consiste en une région centrale de l’ordre de dix moins quatorze centimètres et d’une atmosphère de pions répartis sur un rayon de l’ordre de dix moins treize centimètres. On dit que l’expérience de Hofstader (diffusion des électrons sur des noyaux) a dévoilé la structure électromagnétique des nucléons. En tout cas, on considère aujourd’hui comme un fait que le proton, le neutron, les hypérons, etc., sont des particules complexes. Mais les difficultés de faire entrer des particules de dimensions finies dans le formalisme de la mécanique quantique relativiste sont toujours fondamentales.

On considère que le proton et le neutron possèdent une substructure. On suppose qu’ils ont un cœur dur, entouré d’une couche extérieure formée d’un nuage de pions. Ces mésons sont continuellement émis et réabsorbés par le cœur dur du nucléon, qui apparaît comme une source et en même temps un puits de ces particules virtuelles….

La théorie physique qui exprime l’unité de la particule avec son milieu, et donc la « potentialité » de ses structures (et de ses transformations), est la théorie quantique du champ. Dans cette théorie, il y a une unité dialectique du concept de la particule et du concept du champ….

Il existe aujourd’hui une « chimie » véritable de transformations des particules élémentaires. Ces transformations sont quelquefois extrêmement « fécondes » en nombre de particules naissantes, comme par exemple la transformation d’un proton et d’un antiproton en sept pions (trois pions positifs, trois négatifs et un pion neutre)…

Prenons le cas de la diffusion d’un pion sur un nucléon. Ce phénomène pouvait être considéré comme très simple : le méson « heurte » le nucléon, il change de direction dans l’espace, et c’est tout. Mais les choses ne sont pas tellement simples : pendant l’interaction méson-nucléon, on considère qu’il y a formation d’un état résonnant, d’une particule nouvelle et éphémère (le N*) qui, après un intervalle de temps presque infinitésimal, se transforme de nouveau en pion et en nucléon…

Un autre exemple, très connu : un électron et un positron interagissent, et se transforment en un quantum de rayonnement électromagnétique. Un quantum de rayonnement, d’autre part, peut s’il est assez « dur », se transformer en électron et un positron. L’électron et le positron sont des particules « matérielles ». Ils ont une masse au repos différente de zéro. Le photon, au contraire, est de l’ « énergie pure », du champ, il n’a pas de masse au repos, il n’est pas « de la matière ». Les électrons « se dématérialisent ». Le photon se « matérialise ». De la même manière, à partir de pions, on peut produire des couples proton-antiproton, et inversement. Ici le pion est considéré comme matériel. Mais dans d’autres circonstances, il est considéré comme « champ », comme un agent d’un interaction entre particules matérielles…

Les transformations des particules élémentaires ne suivent pas en général une vois unique. Dans le cas d’un proton et d’un antiproton par exemple, on peut avoir un pion positif, un négatif et un neutre, ou trois mésons positifs et trois négatifs, ou encore deux mésons positifs, deux négatifs et deux neutres, ou trois positifs, trois négatifs et un neutre, ou enfin, six mésons neutres.

Dans les transformations des particules élémentaires, on observe en général plusieurs « canaux », et on peut souvent calculer la probabilité pour chaque voie. Dans toutes ces transformations, les lois générales de conservation sont respectées, ainsi que les lois moins universelles, et les règles de sélection appropriées. Ces restrictions et ces régularités montrent que la potentialité des formes matérielles n’est pas le résultat de l’arbitraire, mais des liaisons bien déterminées de chaque particule avec son milieu.

D’une manière analogue, on peut obtenir la désintégration d’un méson êta en trois pions, ou en deux pions et un photon, et on peut mesurer l’analogie entre les deux voies de désintégration. Ici aussi, de la même particule on peut obtenir des produits différents. Ces produits ne sont pas contenus dans la particule initiale.

5 Messages de forum

  • Les particules sont-elles élémentaires ? 13 juillet 2014 17:16, par Robert Paris

    Eftichios Bitsakis dans « Physique contemporaine et matérialisme dialectique » :

    « Il reste à examiner un problème concernant la dialectique de la structure de la matière au niveau quantique : le critère d’ « élémentarité ».

    Peut-être, au début de leur histoire, le qualificatif « élémentaire » était-il bon pour les particules du niveau quantique. Mais que signifie aujourd’hui ce terme, même pour les plus « simples » microparticules, disons le proton et l’électron ? Et qu’est-ce qu’une résonance ? Une particule ? Un complexe de particules ? Les résonances sont formées dans un intervalle de temps infinitésimal, et se dissocient aussitôt en deux, trois ou plusieurs particules. De ce point de vue, on pourrait les considérer comme des complexes de particules. Mais de quelles particules ? D’un autre point de vue, une résonance a ses propres nombres quantiques, comme toute particule « élémentaire ». Laquelle est « fondamentale » parmi les dizaines de particules ? (…)

    Devant les faits qui montrent que les particules du niveau quantique ne sont pas « élémentaires » au sens classique, beaucoup de physiciens n’accordent aucune valeur objective au critère d’élémentarité. Werner Heisenberg, par exemple, écrivait en 1957, qu’il n’y a pas de critère objectif d’élémentarité, et qu’il dépend de notre libre arbitre de déterminer quelle particule peut être considérée comme élémentaire, et quand.

    Louis de Broglie aussi écrivait dès 1961 :

    « Il semble bien, en effet, qu’on ne peut donner aucune définition univoque du corpuscule élémentaire et que, par suite, il vaut sans doute mieux ne pas introduire cette expression en Physique quantique. »

    Depuis cette époque, les doutes sur la possibilité de définir une particule élémentaires sont devenus plus forts…

    Selon la conception dialectique de l’inépuisabilité de la matière, l’absolument simple n’existe pas…

    Comme le dit Engels :

    « Hegel se tire très facilement d’affaire sur cette question de la divisibilité en disant que la matière est l’un et l’autre, divisible et continue, et en même temps ni l’un ni l’autre, ce qui est presque prouvé maintenant. » (dans « Dialectique de la nature »)

    (…)

    Quelques aspects de cette dialectique pourraient être les suivants :

    - L’inépuisabilité des formes de la matière

    - L’unité dans la diversité des formes de la matière

    - L’unité des lois physiques, aspect de l’unité de la matière et des processus de ses transformations

    - La mobilité des formes matérielles, donnée concrète de leur unité

    - L’interdépendance des formes matérielles, leur connexion universelle

    - Le caractère contradictoire de cette interdépendance

    - L’inséparable de la structure des particules, des conditions de leur existence

    - La dialectique du continu et du discontinu, concrétisée plus spécifiquement par les relations entre champs et particules

    - Le concept de potentialité, comme expression de la connexion universelle des formes matérielles

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  • Les particules sont-elles élémentaires ? 13 juillet 2014 17:40, par R.P.

    Friedrich Engels dans son courrier à Karl Marx du 30 mai 1873, qui est à l’origine de son ouvrage « Dialectique de la nature » :

    « Il n’y a rien à dire des corps en dehors du mouvement, en dehors de toute relation avec d’autres corps. (...) La science de la nature connaît donc les corps en les considérant dans leur rapport réciproque, dans le mouvement. La connaissance des diverses formes du mouvement est la connaissance des corps…. L’étude des différentes formes du mouvement est donc l’objet essentiel de la science de la nature. (...) Le mouvement d’un corps isolé n’existe pas. »

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  • Les particules sont-elles élémentaires ? 13 juillet 2014 17:43, par R.P.

    Faudrait-il une dialectique aussi en physique ? Oui, bien sûr ! Si un physicien quantique se penchait à nouveau sur la Science de la Logique de Hegel, ce qui est très rare, il se dirait : incroyable, c’est de la physique quantique ! Contrairement à la dialectique, la pensée ordinaire, encore appelée pensée métaphysique, classifie selon des catégories figées. En physique, cela suppose de fixer des propriétés caractéristiques définies et fixes pour chaque type de particules, d’atomes, de molécules, etc… Puis on prétend mettre en mouvement et en relation ces catégories figées. Cela donne le tableau suivant : le proton d’un côté, le neutron d’un autre et l’électron d’un troisième. On peut rajouter d’autres « choses » comme le neutrino. Voilà des objets différents et bien séparés les uns des autres, comme s’ils avaient une existence totalement indépendante. Il n’y aurait plus qu’à étudier les mouvements et les réactions mutuelles. Par exemple, les unes sont chargées électriquement et les autres sont neutres. De même, avec ces éléments de Lego, on construit l’atome. Et avec les atomes, on bâtit la molécule. On agite le tout et on a la matière… Mais vient la physique quantique qui détruit ce bel édifice en cherchant à en comprendre le fonctionnement dynamique. Les catégories figées ne fonctionnent plus. On ne peut pas suivre une particule comme un objet figé et la particule peut même brutalement disparaître. Deux particules ne se comportent pas comme leur somme. Une particule couplée à une autre n’a plus du tout les mêmes propriétés qu’isolément. Il s’avère que de multiples contradictions sont inhérentes à la matière, au sein même de chaque particule. Telle est la contradiction de la matière et du vide qui sont des contraires dialectiques. Le vide est au sein de la matière et il y a une certaine sorte de particules (dites virtuelles) au sein du vide. Il en va de même de la matière et de l’antimatière. Ces contraires (ils explosent au contact) sont liés inexorablement. La matière ne peut entrer en relation que via des particules dites d’interaction qui sont toutes des couplages de matière et d’antimatière virtuelles. La lumière comme les autres particules d’interaction masque donc (et dépasse) la contradiction entre matière et antimatière. On trouve des décompositions étonnantes comme celle du neutron qui donne un proton, en électron et un anti-neutrino. La matière est un dépassement qui masque la contradiction entre électricités opposées (de l’électron et du proton). Nous verrons que cette dialectique a parfois pour nom la dualité (onde/particule), parfois la corrélation (couplage des photons jumeaux) et parfois la rupture de symétrie (comme entre matière et antimatière). Quels exemples de négation dialectique aux divers niveaux de la physique ? La négation de l’expansion de l’univers est l’attraction gravitationnelle qui fonde les structures comme les galaxies. A plus petite échelle, celle des étoiles, la négation de l’attraction gravitationnelle est le rayonnement. A l’échelle des particules, la négation du rayonnement électromagnétique est l’attraction électromagnétique des charges….etc.

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  • Les particules sont-elles élémentaires ? 17 juillet 2014 15:02, par R.P.

    Franco Selleri dans « Le grand débat de la théorie quantique » :

    « Les neutrons sont des particules instables et finissent par se désintégrer en proton + électron + antineutrino au bout d’un temps correspondant à leur vie moyenne. Celle-ci est d’environ mille secondes (...) des neutrinos peuvent vivre beaucoup moins (disons cent secondes) ou beaucoup plus (disons trois mille secondes) que leur vie moyenne de trois mille secondes. Le problème se pose très naturellement de comprendre les causes qui déterminent les différentes vies individuelles dans les différents systèmes instables. (…) (ces variations peuvent s’expliquer) par des fluctuations du vide dans de petites régions entourant la particule ». On ne dispose par contre d’aucune description de l’objet neutron ou de l’objet particule qui explique ces vies de durées diverses et cette durée moyenne. Mais nous verrons que la physique quantique va plus loin et remet carrément en question que la particule soit un objet individuel : « En théorie quantique, tous les concepts classiques, une fois appliqués à l’atome, sont aussi bien ou aussi mal définis que « la « température de l’atome. (...) Le concept d’existence de l’électron dans l’espace et le temps conduit à un paradoxe. » D’où la nécessité de définir la particule comme une structure émergente issue des interactions du vide et non comme une chose préexistante et fixe.

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  • Les particules sont-elles élémentaires ? 17 août 2014 10:32, par Robert

    « Il semble bien, en effet, qu’on ne peut donner aucune définition univoque du corpuscule élémentaire et que, par suite, il vaut sans doute mieux ne pas introduire cette expression en physique quantique. » écrivait Louis de Broglie dans « Introduction à la nouvelle théorie des particules de Vigier et ses collaborateurs ». « Selon l’hypothèse réductionniste, le niveau le plus fondamental est censé être le plus simple. La plus grande simplification peut être recherchée en étudiant les plus petites parties constitutives de l’univers (l’histoire de la physique des particules a montré qu’en réalité ces plus petites parties constitutives n’ont rien de simple. (...) Le plus fondamental n’est pas nécessairement le plus simple. (...) L’identité d’une particule est inhérente à la manière dont elle interagit. » écrit Gilles Cohen-Tannoudji dans « La Matière-Espace-Temps »

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