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Que dites-vous de la relation matière lumière, monsieur Feynman ?

vendredi 18 mai 2018, par Robert Paris

L’énigme de la relation matière-lumière, expliquée par le physicien Feynman

Fritz Rohrlich, de l’Université de Syracuse, soulignait en 1983 l’insuffisance du point de vue des physiciens quantiques qui s’en tiennent au calcul mathématique :

« Comment un photon est engendré quand il est émis par un atome ? Le seul langage mathématique de la physique quantique ne peut répondre à de telles questions. »

Nous sommes tout aussi insatisfaits, de ce point de vue, qu’il s’agisse de décrire ce qui se passe dans les interactions matière-lumière du type « un atome ou une particule de matière émet ou absorbe un photon lumineux » que dans les interactions du type un photon lumineux est réfracté ou réfléchi ou encore diffusé par la traversée de la matière. En effet, on ne peut pas dire exactement par où est passé le photon ni ce qui lui est arrivé, où il est apparu, où il a disparu, où pourquoi il a pris telle ou telle option (réfraction ou réflexion).

Feynman ne craignait pas, même avec ses étudiants, de reconnaître que la relation matière-lumière posait un problème de fond, de conception, même de concepts, qui n’était pas résolu en se satisfaisant du fait que « les calculs marchent »…

« 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. »

Jean-Paul Auffray dans « L’atome »

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

Richard Feynman, « Lumière et matière »

« Commençons par observer les résultats d’une expérience de réflexion partielle. Si l’on envoie de la lumière monochromatique perpendiculairement à la surface d’un verre, 4% de celle- ci est réfléchie et 96% traverse la surface du verre. Phénomène curieux qui ennuyait déja Newton (qui considérait que la lumière était composée de particules). Comment les photons "décident"-t-ils d’aller en A ou en B ? " L’expérience devient encore plus étrange si on observe la réflexion sur les deux lames strictement parallèles d’une lame très mince... »

Richard Feynman, « Lumière et matière »

Feynman tenait à insister dans son « Cours de physique » sur le caractère corpusculaire de la lumière :

« Je ne saurais trop insister sur cet aspect de la lumière : la lumière est faite de particules. Il est très important – même si à l’école on vous a appris que la lumière se comporte comme une onde – de savoir que la lumière se comporte comme des particules. »

Bien sûr, au sens quantique, des particules ne sont pas des objets classiques puisqu’ils ne sont pas localisés, n’appartiennent pas à des trajectoires, ne sont pas indépendants du milieu et sont inséparables de leur onde…

Voyons comment Feynman explique ce que la théorie des ondes électromagnétique dit sur cette question :

Extrait du Cours de physique de Feynman (électromagnétisme – tome 1) :

« Considérons une force analogue à la gravitation qui varie, comme elle, comme l’inverse du carré de la distance, mais qui soit un milliard de milliards de milliards de milliards de fois plus intense. Et avec une autre différence : il y aurait deux espèces de « matière », que nous pouvons appeler positive et négative. Celles de même espèce (de même signe) se repoussent et celles d’espèces différentes (de signes contraires) s’attirent. Contrairement au cas de la gravité où il n’y a que l’attraction. Que va-t-il se passer ?

Un amas d’éléments positifs se repousserait avec une force énorme et éclaterait dans toutes les directions. Un amas d’éléments négatifs en ferait autant. Mais un mélange égal d’éléments positifs et négatifs ferait quelque chose de tout à fait différent. Les éléments opposés seraient maintenus ensemble par des attractions énormes. le résultat global serait que les forces terrifiantes s’équilibreraient entre elles presque parfaitement en formant des mélanges fins et serrés d’éléments positifs et négatifs, et entre deux amas d’un tel mélange, il n’y aurait pratiquement pas du tout d’attraction ni de répulsion.

Une telle force existe : c’est la force électrique. Et toute matière est un mélange de protons positifs et d’électrons négatifs qui s’attirent et se repoussent avec cette grande force. L’équilibre est si parfait cependant, que lorsque vous vous tenez près de quelqu’un d’autre, vous ne sentez aucune force. S’il y avait seulement un très léger déséquilibre vous le sauriez. Si vous vous teniez à un bras de distance de quelqu’un et que chacun de vous ait un pour cent d’électrons de plus que de protons, la force de répulsion entre vous serait incroyable. De quelle grandeur ? Suffisante pour soulever l’immeuble de l’Empire State Building ? Non ! Pour soulever le Mont Everest ? Non ! La répulsion serait en fait suffisante pour soulever un « poids » égal à celui de la Terre entière !

Avec des forces aussi énormes et aussi parfaitement équilibrées dans ce mélange intime, il n’est pas difficile de comprendre que la matière, essayant de garder ses charges positives et négatives dans le meilleur équilibre, puisse avoir une grande rigidité et une grande résistance. L’Empire State Building, par exemple, ne s’écarte que de 2,50 mètres de son équilibre parce que les forces électriques maintiennent chaque électron et chaque proton plus ou moins à sa propre place. D’autre part, si nous regardons la matière à une échelle assez petite pour ne voir que quelques atomes, chaque petit morceau n’aura pas, en général, un nombre égal de charges positives et négatives ; par conséquent, il y aura d’intenses forces électriques résiduelles. Même quand il y a un nombre égal de charges de signe opposés dans deux petits morceaux voisins, il peut y avoir encore de grandes forces électriques globales, car les forces entre charges individuelles varient comme l’inverse du carré de la distance. Une force résultante peut se produire si une charge négative de l’un des morceaux est plus proche d’une charge positive que des charges négatives de l’autre. Les forces d’attraction peuvent ainsi être plus grandes que celles de répulsion et il peut y avoir une attraction résultante entre les deux petits morceaux sans qu’il y ait excès de charges. Les forces qui maintiennent les atomes entre eux ou les molécules entre elles, sont réellement des forces électriques agissant dans des régions où l’équilibre de charges n’est pas parfait, ou bien dans des régions aux dimensions très petites.

Vous savez évidemment que les atomes sont constitués de protons positifs dans le noyau et d’électrons négatifs à l’extérieur. Vous pouvez vous demander : « si cette force électrique est si terrifiante, pourquoi les protons et les électrons ne se collent-ils pas les uns sur les autres ? S’ils veulent former un mélange intime, pourquoi celui-ci n’est-il pas encore plus intime ? »

La réponse fait intervenir les effets quantiques. Si nous essayons de placer nos électrons dans une région très proche des protons, alors, selon le principe d’incertitude (principe qui appartient à la physique quantique et prévoit que le produit de l’impulsion et de la dimension de la zone de présence ne doit pas descendre en dessous d’un quanta), ils doivent avoir une impulsion dont le carré moyen est d’autant plus grand que nous essayons de les rapprocher davantage. C’est ce mouvement, exigé par les lois de la mécanique quantique, qui empêche l’attraction électrique de rapprocher davantage les charges les unes des autres.

Une autre question se pose : « Qu’est-ce qui maintient le noyau compact ? » Dans le noyau il y a plusieurs protons qui tous sont positifs. Pourquoi ne se repoussent-ils pas ? Il s’avère que dans le noyau il y a, en plus des forces électriques et qui sont appelées forces nucléaires, qui sont plus grandes que les forces électriques et qui sont capables de maintenir les protons ensemble malgré la répulsion électrique. Les forces nucléaires, cependant, sont à court rayon d’action – leur intensité décroît beaucoup plus rapidement que l’inverse du carré du rayon. Et ceci a une conséquence importante. Si un noyau contient trop de protons, il devient trop gros, et il ne restera pas compact…

Les forces nucléaires agissent principalement entre chaque proton (ou neutron) et son plus proche voisin, tandis que les forces électriques agissent sur de plus grandes distances, donnant une répulsion entre chaque proton et tous les autres protons du noyau. Plus il y a de protons dans le noyau, plus forte est la répulsion électrique, jusqu’à ce que… l’équilibre devienne si fragile que le noyau est presque prêt à éclater sous l’action de la force électrique de répulsion.

Si un tel noyau est juste « heurté » légèrement (comme on peut le faire en le bombardant par un neutron lent), il se casse en deux morceaux, chacun avec une charge positive, et ces morceaux s’écartent par répulsion électrique. L’énergie qui est libérée est l’énergie de la bombe atomique. Cette énergie est couramment appelée énergie « nucléaire », mais c’est réellement l’énergie « électrique » libérée quand les forces électriques ont dépassé les forces nucléaires d’attraction.

Nous pouvons enfin nous demander ce qui maintient la cohésion d’un électron chargé négativement (puisqu’il ne possède pas de forces nucléaires). Si un électron est tout entier fait d’une seule sorte de substance, chaque partie devrait repousser les autres. Pourquoi, alors, n’éclate-t-il pas ? Mais l’électron a-t-il des « parties » ? Peut-être devrions-nous dire que l’électron est un point et que les forces électriques agissent seulement entre différentes charges ponctuelles, si bien que l’électron n’agit pas sur lui-même. Peut-être. Tout ce que nous pouvons dire est que la question de savoir ce qui maintient la cohésion de l’électron a provoqué de nombreuses difficultés dans la tentative d’élaborer une théorie complète de l’électromagnétisme. La question n’a jamais reçu de réponse…

La force électromagnétique qui s’exerce sur une charge dépend de manière relativement simple de la charge, de la vitesse et des champs électrique et magnétique au point où se trouve cette charge. On multiplie le vecteur vitesse et le vecteur champ magnétique et on additionne au vecteur champ électrique et cette somme vectorielle est multiplié par la charge…

Magnétisme et électricité ne sont pas deux choses indépendantes – ils doivent toujours être considérés ensemble, comme un champ électromagnétique complet. Quoique dans le cas statique, les équations de Maxwell se séparent en deux paires distinctes, une paire relative à l’électricité et une autre relative au magnétisme sans lien apparent entre les deux champs, dans la nature elle-même, il existe un lien très étroit entre eux qui provient du principe de relativité.

Historiquement, le principe de relativité fut découvert après les équations de Maxwell. Ce fut, en fait, l’étude de l’électricité et du magnétisme qui conduisit finalement Einstein à la découverte de son principe de relativité…

Les champs électriques et magnétiques apparaissent différemment mélangés suivant le référentiel choisi… Si nous pensons aux lignes de champ électrique ou magnétique, nous ne devons pas leur attacher une trop grande réalité. Ces lignes peuvent disparaître si nous essayons de les observer dans un système de coordonnées différent…

Tous nos champs magnétiques satisfont à la même équation d’onde, l’équation de Maxwell. Nous pouvons donc nous demander quelle est la solution la plus générale de cette équation ? Cependant, plutôt que de nous attaquer directement à cette question difficile, nous allons examiner ce que l’on peut en dire en général, des solutions où rien n’est fonction de y et z… Nous obtenons donc ce résultat important pour la propagation des ondes planes dans une direction quelconque, que le champ électrique doit être perpendiculaire à la direction de propagation… Toute fonction de (x – ct) ou de (x + ct) est solution et toute solution est une somme d’une fonction de (x – ct) et d’une fonction de (x + ct)… Voici pour l’ensemble des solutions à une dimension de l’équation de Maxwell.

Comment allons-nous trouver la solution ondulatoire générale ? Voilà la réponse : toutes les solutions de l’équation d’onde à trois dimensions peuvent être représentées par la superposition des solutions à une dimension que nous venons d’établir…

Essayez de vous imaginer ce que peuvent être à présent les champs électriques et magnétiques dans l’espace de cette salle de cours. Tout d’abord, il y a un champ magnétique permanent ; il provient des courants intérieurs de la terre – c’est le champ magnétique terrestre permanent. Puis il y a certains champs électriques irréguliers et presque statiques, sans doute produits par des charges électriques engendrées par frottement, à cause du mouvement des gens sur leurs chaises et du frottement des manches de leurs vêtements sur les bras des fauteuils. Puis il y a d’autres champs magnétiques produits par les courants oscillants transportés par les fils électriques – champs qui varient à la fréquence de 60 cycles par seconde, synchronisés sur le générateur de Boulder Dam. Mais les champs électriques et magnétiques qui varient à des fréquences beaucoup plus élevées sont plus intéressants. Par exemple quand la lumière se propage de la fenêtre au sol, et d’un mur à un autre, il y a de petites ondulations des champs électriques et magnétiques qui se propagent à 300.000 kilomètres par seconde. Puis il y a encore les ondes infrarouges qui se propagent de vos fronts chauds vers le tableau froid. Et nous avons oublié la lumière ultraviolette, les rayons X et les ondes radio qui se propagent à travers la pièce.

A travers la pièce, il y a des ondes électromagnétiques qui transportent la musique d’un orchestre de jazz. Il y a des ondes modulées par une série d’impulsions représentant les images d’événements qui ont lieu dans d’autres parties du monde, ou bien d’aspirines que l’on peut imaginer qui se dissolvent dans des estomacs que l’on peut imaginer. Pour prouver la réalité de ces ondes, il est simplement nécessaire de brancher un dispositif électronique convenable, qui convertisse ces ondes en images et en sons.

Si nous poussons encore plus loin cette analyse, même pour les plus petites ondulations, nous verrons des ondes électromagnétiques minuscules qui sont arrivées dans la pièce après avoir parcouru des distances énormes. Il y a maintenant de minuscules oscillations du champ électrique, dont les crêtes sont séparées par une distance de trente centimètres, qui proviennent de millions de millions de kilomètres, et qui sont transmises à la terre par le vaisseau spatial Mariner II qui vient juste de passer devant Vénus. Ses signaux transportent des résumés d’informations captées sur les planètes (informations obtenues par des ondes électromagnétiques qui se sont propagées de la planète au vaisseau spatial).

Il y a de multiples petites oscillations des champs électriques et magnétiques, qui sont des ondes ayant pris naissance à des millions d’années-lumière – dans les galaxies les plus reculées de l’univers. On a prouvé que tout ceci était vrai en « remplissant la pièce de fils » - en construisant des antennes aussi grandes que cette pièce. Ces ondes radio ont été détectées en des endroits de l’espace qui se situent au-delà de la portée des plus grands télescopes optiques. Même eux, les télescopes optiques, sont simplement des collecteurs d’ondes électromagnétiques. Ce que nous appelons les étoiles, ne sont en réalité que des interférences, interférences obtenues à partir de la seule réalité physique que nous ayons pu déceler jusqu’à présent – à partir d’une étude précise des ondulations, d’une complexité sans fin, des champs électriques et magnétiques qui nous parviennent sur terre.

Je vous ai demandé de vous imaginer ces champs électriques et magnétiques. Que faites-vous ? Savez-vous comment faire ? Comment est-ce que moi j’imagine le champ électrique et le champ magnétique ? Qu’est-ce que je vois vraiment ? Quelles sont les exigences de l’imagination scientifique ?

Est-ce bien différent d’essayer d’imaginer que la pièce est remplie d’anges invisibles Non, ce n’est pas la même chose qu’imaginer des anges invisibles. Il faut un degré d’imagination bien plus élevé pour songer au champ électromagnétique que pour songer à des anges invisibles. Pourquoi ? Parce que pour rendre imaginables des anges invisibles, il me suffit simplement de modifier un tout petit peu leurs propriétés – je les rends faiblement visibles et je peux voir alors la forme de leurs ailes, leurs corps, leurs auréoles. Une fois que j’ai réussi à imaginer un ange visible, l’abstraction nécessaire – qui consiste à prendre des anges presque invisibles et à les imaginer complètement invisibles – est relativement simple. Alors vous dites, « Monsieur le Professeur, donnez-moi s’il vous plaît, une description approximative des ondes électromagnétiques, même si elle doit être légèrement floue, de façon à ce que moi aussi je puisse les voir, comme je vois les anges presque invisibles. Puis je modifierai cette image jusqu’à atteindre l’abstraction nécessaire. »

Je suis navré, mais je ne le peux pas. Je ne sais pas comment faire. Je n’ai aucune image de ce champ électromagnétique qui soit, en un certain sens, précise. J’ai étudié le champ électromagnétique depuis longtemps – il y a 25 ans, j’étais comme vous maintenant, et j’ai 25 ans d’expérience de plus pendant lesquels j’ai réfléchi à ces ondes sinueuses.

Quand je commence à décrire le champ électromagnétique qui se propage dans l’espace, je parle des champs électrique E et magnétique B et j’agite les bras et vous pouvez vous imaginer que je peux les voir. Je vais vous dire ce que je vois. Je vois des sortes de lignes floues et ondulées – ici et là un E ou un B écrit sur elles d’une certaine manière, et peut-être que certaines des lignes portent des flèches – une flèche ici ou là qui disparaît quand je la regarde de trop près. Quand je parle des champs qui sillonnent l’espace, je fais une confusion terrible entre les symboles dont je me sers pour décrire les objets, et les objets eux-mêmes. Je ne peux vraiment pas me construire une image qui se rapproche même à peu près des vraies ondes. Donc, si vous éprouvez une certaine difficulté à matérialiser cette image, ne craignez surtout pas que votre difficulté soit exceptionnelle.

Notre science demande des prodiges d’imagination. Le degré d’imagination nécessaire est bien plus élevé que celui exigé par certaines des idées anciennes. Les idées modernes sont bien plus difficiles à imaginer. Et cependant nous nous servons d’un grand nombre d’outils. Nous nous servons d’équations et de règles mathématiques, et nous faisons beaucoup de dessins. Je réalise maintenant, qu’en parlant du champ électromagnétique dans l’espace, je vois une sorte de superposition de tous les diagrammes que j’en ai toujours vus tracés. Je ne vois pas courir des faisceaux de lignes de champ, car cela m’inquiète de penser que si je courais à une vitesse différente, ces faisceaux disparaîtraient…

Le seul espoir est peut-être, direz-vous, d’adopter une vue mathématique. Or, qu’est-ce qu’une vue mathématique ? Du point de vue mathématique, il y a un vecteur champ électrique et un vecteur champ magnétique, en tout point de l’espace, c’est-à-dire qu’il y a six nombres associés à chaque point. (Chaque vecteur étant déterminé par trois nombre, ses coordonnées, dans l’espace à trois dimensions)

Pouvez-vous imaginer six nombres associés à chaque point de l’espace ? C’est trop difficile. Pouvez-vous-même imaginer un seul nombre associé à chaque point ? Moi, je ne le peux pas ! Je peux m’imaginer quelque chose comme la température en chaque point de l’espace. Cela semble compréhensible. Il y a une certaine chaleur ou un certain froid qui varie d’un point à un autre. Mais très sincèrement, je ne comprends pas l’idée d’un « nombre » en tout point.

Peut-être faudrait-il poser la question : pouvons-nous représenter le champ électrique par quelque chose qui ressemble plus à une température, disons par le déplacement d’une portion de gelée ? Supposez qu’on commence par imaginer que le monde est rempli de gelée et que les champs représentent une certaine distorsion – un étirement ou une torsion – de cette gelée. Nous pourrions alors matérialiser la vision de ce champ. Après avoir vu à quoi il ressemblait, nous pourrions faire abstraction de la gelée.

C’est ce qu’on essaya de faire pendant des années. Maxwell, Ampère, Faraday, et d’autres essayèrent de comprendre ainsi l’électromagnétisme. Parfois ils appelèrent cette gelée abstraite « éther ». Mais il apparut bientôt que cette tentative de représentation du champ électromagnétique était un barrage au progrès. Nous devons malheureusement nous limiter à des abstractions, à l’emploi d’instruments pour détecter le champ, etc. Néanmoins, en un certain sens, les champs sont réels, car après avoir fini de jouer avec nos équations mathématiques – avec ou sans images et dessins, avec ou sans tentative de matérialiser la chose – nous pouvons encore amener des instruments à détecter les signaux émis par Mariner II et obtenir des renseignements sur des galaxies à des millions de kilomètres, et ainsi de suite.

Tout le problème de l’imagination en sciences est souvent incompris de ceux qui pratiquent d’autres disciplines. Ils essayent de mettre à l’épreuve notre imagination de la façon suivante. Ils disent, « voici un dessin de certaines personnes dans une certaine situation. Comment imaginez-vous ce qui va se produire ensuite ? » Quand nous disons, « je ne peux pas imaginer », ils peuvent penser que nous avons une bien faible imagination. Ils négligent le fait que tout ce qui nous est permis d’imaginer en sciences doit être compatible avec tout le reste de nos connaissances, que les champs électrique et les ondes dont nous parlons ne sont pas simplement d’heureuses idées que nous sommes libres d’inventer, mais des idées qui doivent être compatibles avec toutes les lois connues de la physique. Nous ne pouvons nous laisser à imaginer sérieusement des choses qui sont de toute évidence en contradiction avec les lois connues de la nature. C’est ainsi que notre type d’imagination est un jeu bien difficile. On doit avoir de l’imagination pour penser à quelque chose qui n’a jamais été vu avant, jamais entendu avant. Mais en même temps, ces pensées sont restreintes dans un corset rigide, pour ainsi dire, et limitées par les conditions qui résultent de notre connaissance de la nature telle qu’elle est réellement.

Le problème de la création de quelque chose de neuf, mais compatible avec tout ce qui est déjà connu, est d’une extrême difficulté…

Faisons l’hypothèse particulière suivante. Nous disons, sans aucune démonstration, que les ondes émises par une source, sont seulement celles qui « s’en éloignent ». Puisque nous savons que les ondes sont dues au mouvement des charges, nous pensons volontiers que les ondes évoluent vers l’extérieur à partir des charges. Ce serait plutôt curieux d’imaginer qu’avant que les charges ne soient mises en mouvement, une onde sphérique est partie de l’infini et arrive sur les charges à l’instant même où elles se mettent en mouvement. C’est là une solution possible, mais l’expérience montre que lorsque des charges sont accélérées les ondes s’éloignent à partir des charges. Bien que les équations de Maxwell admettent l’une ou l’autre des deux possibilités, nous introduirons un « fait supplémentaire » - fondé sur l’expérience – à savoir que l’onde qui s’éloigne a un « sens physique ».

Remarquons cependant qu’on peut tirer une conséquence intéressante de cette hypothèse supplémentaire : nous supprimons la symétrie par rapport au temps qui figure dans les équations de Maxwell. Les équations de départ en E (vecteur champ électrique) et B (vecteur champ magnétique), ainsi que les équations d’onde que nous en avions déduites, ont la propriété de rester inchangées par un changement de signe du temps.

Ces équations nous indiquent qu’à toute solution relative à une onde qui se propage dans une direction, correspond une solution tout aussi valable relative à une onde qui se propage dans la direction opposée… On a étudié avec soin une formulation de l’électromagnétisme où cette hypothèse supplémentaire n’a pas été introduite… Notons encore ceci. Dans notre solution de l’onde qui s’éloigne, la fonction d’onde est infinie à l’origine. Ce qui est assez étrange. Nous aimerions avoir comme solution une onde partout finie. Notre solution doit représenter physiquement une situation où il y a une source à l’origine. En d’autres termes, nous fait une erreur par inadvertance. Nous n’avons pas résolu partout l’équation d’onde dans le vide ; nous l’avons résolu sauf à l’origine… Il y a évidemment quelque chose de faux… S’il n’y avait vraiment pas de charges ou de courants à l’origine, il ne devrait pas y avoir des ondes sphériques qui s’en éloignent. Les ondes sphériques doivent, bien sûr, être créées par des sources à l’origine… »

Comment la physique du vide quantique répond à la question

Les différents points soulevés ci-dessus par Feynman peuvent être résolus par la physique quantique du vide, fondée sur les particules et antiparticules virtuelles. Ces dernières donnent à la fois les ondes avancées et retardées dont parlait Feynman, et donnent aussi le caractère à la fois ondulatoire et corpusculaire, aussi bien de la lumière que de la matière, et donnent encore le principe d’incertitude.

Tout d’abord, remarquons que l’on ne peut pas concevoir l’Univers comme une dualité, c’est-à-dire comme deux domaines séparés interagissant. En effet, si on conçoit matière et lumière comme des objets séparés, un photon et une particule (ou un photon et un atome), on ne peut plus comprendre comment ils fusionnent (absorption d’un photon par une particule ou un atome) ou se séparent (émission d’un photon par une particule ou un atome). La physique quantique a démontré que la lumière et la matière étaient également composés de quanta, obéissaient à la même physique.

Comment un photon est-il engendré quand il est émis par un atome ? Comment un photon est-il transformé quand il est absorbé par un atome ?

Si on considère le photon comme un objet et l’atome comme un autre objet, il ne peut y avoir aucune réponse puisque ces deux objets ne peuvent fusionner ni se confondre ni pénétrer l’un dans l’autre ou sortir l’un de l’autre.

Même des phénomènes matière-lumière aussi simples et connus que la réfraction et la reflexion, que la diffusion de la lumière par la matière et bien d’autres phénomènes optiques simples en traversant la matière ne peuvent être interprétés en disant « le photon a fait ceci puis a fait cela ». Et pourtant, la lumière c’est bel et bien des photons quantiques !!!

Il est nécessaire pour comprendre un tel phénomène qui est fondamental à la microphysique de connaître le fondement commun de la matière et de la lumière, c’est-à-dire le vide quantique. Sinon, on ne voit pas comment photon et atome mettraient quelque chose en commun ou naitraient l’un de l’autre.

La réflexion de la lumière sur une surface ne peut pas non plus être expliquée en disant que les photons rebondissent sur la surface et d’autant moins que la lumière pénètre un petit peu le miroir avant d’être réfléchie. Mais aussi, il y a une partie de l’énergie lumineuse qui est réfléchie et une petite partie qui traverse. Comment un photon « sait-il » qu’il doit traverser et un autre qu’il doit être réfléchi ? La physique quantique est incapable de répondre dans ces termes. Elle ne peut que dire quelle proportion de photons fera ceci ou cela mais pas ce que fera « un » photon donné !

Mais, à un niveau inférieur à celui du photon et de la particule, on peut donner une interprétation comme on va le voir…

En effet, il y a un niveau inférieur qui est celui du vide quantique : matière et lumière sont tous deux issus du vide quantique et les lois du vide quantique explique non seulement l’émission-absorption de lumière par la matière mais toutes les interactions matière-lumière.

La physique quantique, sans quantique des champs du vide, ne peut répondre à la question.

En effet, on ne peut pas traiter le photon et la particule comme des objets qui se déplacent, qui vont ici, qui font cela, parce que ce ne sont pas des objets, du type des objets que nous connaissons ou croyons connaître à notre niveau, l’échelle dite macroscopique.

Que veut-on dire quand on affirme que l’atome ou la particule de matière (les fermions) ne sont pas des objets et que le photon lumineux (ou boson) n’est pas un objet ?

Tout d’abord, il convient de remarquer que matière comme lumière baignent dans le vide quantique, espèce d’océan de particules et d’antiparticules dites virtuelles, qui sont toutes les sortes de matière et d’antimatière, existant sous forme de couples d’une particule et d’une antiparticule qui sont éphémère, apparaissent et disparaissent absorbant ou émettant de l’énergie.

Ensuite, il faut savoir ce qui distingue les particules (et antiparticules) dites réelles de celles dites virtuelles. Ce ne sont pas des « objets » fondamentalement différents puisqu’une particule virtuelle peut apparaître réelle pour un objet arrivant avec une grande énergie et aussi parce qu’en donnant de l’énergie en quantité suffisante à une particule virtuelle on la rend réelle et qu’en absorbant l’énergie d’une particule réelle, on la rend réelle !

Les particules virtuelles (éphémères) possèdent des propriétés qui diffèrent des particules dites réelles. Rappelons qu’elles sont la réalité alors que la particule réelle n’est rien d’autre qu’une particule virtuelle qui a reçu un boson de Higgs.

Les particules virtuelles et réelles sont identiques, hormis pour la durée de vie. Elles ont même masse propre, même spin, même charge électrique... Toutes leurs propriétés intrinsèques sont les mêmes.

Les particules virtuelles apparaissent puis disparaissent rapidement, contrairement aux particules réelles. Les particules réelles sont observées contrairement aux particules virtuelles dont l’existence éphémère ne concerne qu’une interaction entre deux autres particules (réelles ou virtuelles).

Les particules virtuelles ne respectent pas la conservation de l’énergie. Pour une fluctuation dans le vide, par exemple, il y a au départ une absence de particule, puis apparition d’une particule avec une certaine énergie puis disparition. La conservation de l’énergie est donc violée un bref instant, mais la durée d’existence de la particule est compatible avec les relations d’incertitudes. L’énergie d’une particule virtuelle peut être négative.

La durée de vie de la particule virtuelle, est inversement proportionnelle à son énergie (le produit énergie par durée de vie est égal ou un peu supérieur à la moitié de la constante de Planck, c’est-à-dire un quanta).

La durée de vie du photon (couple particule-antiparticule virtuels) est six fois dix puissance moins vingt-deux secondes dans le cas du couple électron-positron.

L’énergie qui passe d’une particule réelle à une particule virtuelle (pour la rendre réelle) est transportée par le photon de Higgs, élément du champ du vide quantique.

Une particule qui possède un tel boson n’est pas un objet fixe au sens où il ne garde ce boson que pour une courte durée, durée au bout de laquelle il le transmet à une particule virtuelle (élément du vide quantique) située dans son voisinage immédiat.

Les particules dites réelles (celles qui ont une durée de vie longue comme électron, proton, neutron, neutrino et bien d’autres) sont sans cesse entourées par un « nuage de polarisation » qui est formé de couples d’une particule et de son antiparticule. La particule matérielle n’est pas un seul objet mais un nuage d’une multitude de particules et d’antiparticules, de toutes les sortes existantes, avec des masses, des énergies et des propriétés variées qui permettent de fonder toutes les propriétés de la particule, tous les champs avec lesquels elle interagit.

La particule est donc une déformation du vide quantique autour d’une singularité de celui-ci, déformation qui se propage de part en part mais par sauts de puce, d’une particule réelle à une particule virtuelle devenant réelle et ainsi de suite.

C’est pour cela qu’on ne peut pas séparer le corpuscule du nuage, c’est-à-dire la particule de son onde.

Le saut d’une particule virtuelle à une autre détermine ce que l’on appelle l’ « onde de probabilité de présence ».

Le caractère apparemment désordonné de tous ces mouvements brutaux qui caractérisent la particule proviennent de l’interaction d’échelles imbriquées.

Non seulement la physique ne se détermine pas à l’échelle macroscopique mais même pas à l’échelle de la particule. Et même les mouvements des particules virtuelles sont déterminés au niveau du « virtuel de virtuel », un niveau sous-jacent.

On ne peut pas, dans une telle situation, suivre le cheminement régulier d’une particule puisque tout est discontinu dans ce phénomène fondé sur des « sauts quantiques ».

Cependant, il ne s’agit pas de désordre ni de pur hasard, puisque la probabilité, dans chaque situation, qu’il se produise ceci ou cela pour la particule est une probabilité qui peut être connue, qui est calculée et dont on a la formule mathématique. Le chaos matériel est donc une fois encore… déterministe !

Si le vide quantique tout entier est fait de couples de particules et de leurs antiparticules, qu’est-ce qui distingue le nuage de polarisation situé aux abords de la particule ? Eh bien, il est organisé en couches en fonction des champs de la particule. Ainsi, il se place en fonction des charges électriques, en constituant des couches en oignon, les particules (ou antiparticules) de charges opposées s’approchant davantage que les particules de même charge. Cela produit ce que l’on appelle l’ « écrantage » de la charge, phénomène qui se produit à proximité d’une particule. Cela cause que deux particules n’iront jamais jusqu’à se toucher même si elles sont de charges opposées et s’attirent, car elles parviendront à une couche du nuage de leur voisine fait de charges de même signe et qui les repousse donc.

Il en va de même des particules et antiparticules virtuelles qui sont elles-mêmes entourées de particules et antiparticules de « virtuel de virtuel ».

Ce qui caractérise la matière, c’est donc que l’on n’a jamais affaire à un seul niveau d’organisation mais à plusieurs imbriqués, interagissant, possédant des propriétés différentes, des lois différentes. Il n’y a pas le seul passage du macroscopique au microscopique mais aussi d’autres niveaux à grande échelle, depuis celle des bulles du vide qu’étudie l’astrophysique à celle du virtuel de virtuel, en passant par notre échelle, l’échelle microphysique des particules, puis l’échelle du vide quantique. C’est cette organisation avec des sauts de niveaux qui explique le caractère apparemment désordonné de la matière.

La multitude de couples virtuels qui entourent la particule dite réelle (celle qui a reçu le boson de Higgs) permet à celle-ci d’explorer non seulement les zones où elle se situe mais aussi tout autour et donc de multiplier les potentialités de trajectoires possibles (le terme trajectoire ne signifiant pas ici des parcours continus). Cela explique bien des propriétés étranges des particules quantiques et notamment les expériences du type de celle des fentes de Young.

Parlons maintenant un peu de la lumière, avant d’aborder l’interaction matière-lumière.

Comme la matière, la lumière est quantique, obéissant aux mêmes règles, la même nature contradictoire, à la fois onde et corpuscule, au même caractère probabiliste, sans trajectoire continue, avec des sauts quantiques, et pour une raison fondamentale : la lumière est faite à partir du même vide quantique, des mêmes particules et antiparticules virtuelles (éphémères) qui fondent le vide.

La lumière (rappelons que nous englobons sous ce terme toutes les forces électromagnétiques, toutes les interactions matière-matière), c’est le moyen du transport de l’énergie. Le « photon » est un couple (particule virtuelle et son antiparticule virtuelle). Or nous savons que faire interagir matière et antimatière, c’est produire de l’énergie, de même qu’il faut de l’énergie pour pousser matière et antimatière à se contacter. Mais matière et antimatière peuvent (en un temps très court, virtuel) coexister en couple sans exploser et se transformer en énergie. Chaque couple matière/antimatière est porteur d’une certaine énergie et d’une certaine fréquence fondée sur l’interaction matière/antimatière (pulsation périodique du couple de particules).

On voit qu’il existe plusieurs sortes de liaisons entre matière et antimatière : celle qui constitue un couple provisoire et oscillant, celle qui transforme intégralement le couple en énergie.

L’entourage virtuel du vide quantique du couple « photon » permet le déplacement de celui-ci, le couple échangeant sans cesse avec des particules et antiparticules du vide, et permet aussi au couple de subsister sans se décomposer trop vite en énergie.

Examinons, à partir de ces images simples, comment la matière et la lumière peuvent interagir. Comment la matière peut-elle absorber et émettre de la lumière, comment la lumière peut diffuser dans la matière, comment la lumière peut se réfracter ou se réfléchir dans la matière.

Quand la lumière parvient à proximité de la matière, elle prend contact avec le nuage polarisation des particules matérielles, ce qui signifie que le couple (particule virtuelle et antiparticule virtuelle) entre en contact avec d’autres couples du même type qui entourent la particule constituant des couches en forme d’oignon (successivement électriquement positives et négatives).

N’oublions pas que, dans le vide quantique, les particules (ou les antiparticules) ne cessent de changer de couple. De sorte qu’elles peuvent s’échanger entre particules de matière et corpuscules de lumière. Voilà comment les deux peuvent échanger de l’énergie, transformer des interactions en énergie ou de l’énergie en interaction matière-lumière.

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