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Les discontinuités révolutionnaires de la matière

mardi 14 juin 2011, par Robert Paris, Tiekoura Levi Hamed

Le terme "révolutionnaire" peut paraître curieux pour une matière souvent qualifiée d’inerte, stable, solide, et autres qualificatifs qui en faisaient autrefois le pilier d’un ordre inaltérable. La physique contemporaine ne suit pas ce vieux schéma... La matière saute sans cesse d’un état à un autre, même si ce n’est pas perceptible à l’oeil car à trop petite échelle d’espace ou de temps. Réception et émission de lumière par la matière sont des sauts. Passage d’un état gazeux à un état liquide ou solide en est aussi. Toute interaction matière/matière ou matière/lumière est fondée sur des sauts. Les structures, les compositions, les états changent ainsi brutalement. Le fondement de ces mouvements et de ces changements est l’espace vide qui est lui-même sans cesse en transformation brutale... Tout ce qui est stable provient d’instabilités ultra-rapides. Tout ce qui paraît immobile provient de mouvements ultra-rapides de particules très petites ou de très courte durée de vie, etc, etc...

Il n’y a pas si longtemps la masse semblait la caractéristique fixe de la matière et aujourd’hui elle apparaît comme un attribut qui saute d’une particule virtuelle du vide à une autre.

Non seulement il y a sans cesse des annihilations et des créations de particules de lumières (photons émis et absorbés par la matière), mais la matière elle-même est sans cesse créée et annihilée. Les particules les plus durables comme le proton, le neutron, l’électron n’existent que grâce à des particules très éphémères comme les particules virtuelles, le pion, le muon, le kaon, le lambda ou le sigma qui, eux, ont des durées de vie extrêmement courtes... Et les particules durables comme électron, proton, neutron ne le sont que parce que, à l’aide des précédentes qui servent d’intermédiaire dans les transitions, elles sautent très rapidement d’un état à un autre.

lire ici l’article : révolutionnaire, la matière ?

Ruptures dues à la décongélation

Réseau de failles

Granit

Images du discontinu

Fracture dans une couche de lave (Hawaï).

Image de la fissuration : un exemple de discontinuité naturelle

Sauts quantiques d’un matériau en rupture par fissuration

LES SAUTS QUANTIQUES DE L’ELECTRON....

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".

Qu’est-ce que l’atome, l’élémentaire, l’ « insécable » ? Un nuage de points à de nombreuses échelles ! Le passage permanent d’une échelle à une autre fonde les interactions de la physique et de la chimie qui sont des discontinuités.

Les discontinuités du spectre d’absorption du chlorure d’hydrogène

Image de spectroscopie STM de nucléation discontinue auto-organisée

Le plateau du Jura construit par des dépôts marins, mis en mouvement, s’est brisé en plusieurs morceaux à différents niveaux, puis érodé sous forme de reculées, comme ici à Baume-les-messieurs

La faille de San-Andreas est une manifestation spectaculaire des tremblements de terre qui marquent les mouvements des plaques. Ceux-ci, loin d’avoir lieu de manière continue, sont bloqués par frottement et ne se produisent qu’au cours de tremblements de terre qui sont des discontinuités de toutes les tailles.

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« Admettant que les phénomènes physiques se déroulaient dans l’espace à trois dimensions tel qu’il est défini par la géométrie euclidienne, adoptant presque sans discussion la notion de temps absolu de Newton, (la physique) représentait l’évolution du monde par des équations différentielles ou aux dérivées partielles qui traduisaient la continuité de cette évolution et son caractère inéluctable. Max Planck changea toute cette orientation. L’une des idées maîtresse était celle d’une sorte de discontinuité générale et essentielle des processus naturels. Contrairement au vieil adage de Leibniz, la nature apparaissait comme effectuant sans cesse des sauts, les transitions quantiques, où l’action varie d’un quantum. La représentation traditionnelle des phénomènes par des équations différentielles s’en trouvait profondément ébranlée, et avec elle la conception des faits observables qui, du point de vue mathématique, était fondée sur l’unicité des solutions des équations différentielles ou aux dérivées partielles quand on connaît certaines données initiales. »

Claude Delmas dans « La bombe atomique »

La principale découverte de la physique quantique en matière de discontinuité n’est pas le caractère discontinu de la matière ou de la lumière (les quanta). L’idée atomique la contenait déjà. C’est la découverte que les phénomènes fondamentaux de la matière sont fondés sur des sauts. Par exemple, l’électron saute brutalement d’un niveau à un autre de l’atome. S’il n’en était pas ainsi, l’électron rayonnerait de l’énergie et finirait pas chuter sur le noyau de l’atome. De nombreuses expériences comme l’émission de lumière par l’atome ou le choc de matière et de lumière ne peuvent s’expliquer que par un saut quantique. La discontinuité concerne non seulement la matière et la lumière mais aussi l’énergie et le mouvement. Ils sont tout aussi fondamentalement discontinus. Plus l’interaction concerne une importante quantité d’énergie, plus le caractère brutal et révolutionnaire du changement apparaît.

Heisenberg rapporte ce dialogue dans « La partie et le tout, Le monde de la physique atomique » :
Bohr : « Nous savons déjà depuis vingt-cinq ans ce que signifie la formule de Planck. Nous voyons les discontinuités, les bonds, dans les phénomènes atomiques de façon très directe, par exemple sur un écran à scintillation ou dans une chambre de Wilson. Nous voyons un éclair se manifestant brusquement sur l’écran, ou encore le passage brusque d’un électron à travers la chambre de Wilson. Vous ne pouvez pas tout simplement ignorer ces phénomènes discontinus et faire comme s’ils n’existaient pas. »
Schrödinger : « Si ces damnés sauts quantiques devaient subsister, je regretterais de m’être jamais occupé de théorie quantique. »

Discontinuités dans le spectre du sodium

Maurice Jacob dans « Au cœur de la matière » :

« La masse, cette propriété que l’on pensait intrinsèquement associée à un objet et qui résultait de l’addition

C’est avec la masse que nos idées préconçues se trouvent peut-être le plus bousculées. Quoi de plus tangible que la masse ? N’est-ce pas a priori une propriété fondamentale d’un objet indépendante des circonstances ? Avec Lavoisier, la masse est une propriété indestructible, que l’on retrouve à travers tous les processus chimiques. Avec Einstein, c’est une forme de l’énergie mais, dans la plupart des cas, la conservation de l’énergie entraîne la conservation de la masse. En physique des particules, la masse est une propriété intrinsèque de la particule, un invariant qui sert à la définir. La masse est longtemps apparue comme une propriété fondamentale.
N’est-il pas surprenant de la voir maintenant apparaître comme une propriété purement dynamique, liée aux propriétés du vide et à la façon dont elles affectent les particules qui s’y trouvent ?
La masse, cette propriété que l’on pensait intrinsèquement associée à un objet et qui résultait de l’addition des masses de ces 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 auxquels les constituants fondamentaux sont soumis. Cette nouvelle dynamique qui se trouve à l’origine de la masse a pour conséquence la présence d’au moins une nouvelle particule fondamentale appelée "boson de Higgs". (...) La masse, on était tenté de la considérer comme une propriété fondamentale de chaque particule. La masse de l’atome, qui est à la base de toute masse macroscopique observée, est essentiellement celle de ses constituants et en particulier ceux du noyau. Mais la masse des nucléons n’a maintenant rien à voir avec celle des quarks qui le constituent. Elle résulte d’effets dynamiques à l’échelle du confinement qui apparaît au niveau du fermi.(...) La masse, cette propriété a priori robuste, que l’on attribue par instinct aux choses, se trouve apparaître comme un effet dynamique dont l’ampleur est avant tout attachée au nombre de types de gluons et de quarks ! (...) Si la masse initiale des quarks est due à leur interaction avec le champ de Higgs, leur masse globale est essentiellement due à cette enveloppe de gluons qui augmente leur inertie. (...)
Les particules hadroniques (baryons et mésons) apparaissent ainsi comme des petites bulles dans le vide. Elles comportent selon les acas trois quarks ou un quark et un antiquark. (...) La masse hadronique correspond à la masse que prennent ces quarks quand ils s’habillent de gluons à l’intérieur du hadron. Pratiquement, la totalité de cette masse effective est un effet dynamique. On peut aussi dire qu’elle correspond à l’énergie nécessaire pour créer la bulle que va constituer la particule dans un vide qui préférerait ne pas l’avoir et ne la tolère que parce qu’elle est globalement "neutre" vis-à-vis de la couleur. (...) Cette nouvelle conception de la masse est une révolution importante. Ce qui apparaissait comme une propriété intrinsèque et immuable se voit relégué au rang d’effet dynamique dépendant des interactions et, avant tout, de la structure du vide.
Le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron. Ce sont des paires virtuelles mais cela va compliquer notre processus d’absorption qui ne demande qu’un temps très bref durant lequel ces paires virtuelles ont bien le temps de se manifester. L’électron, de charge négative, va ainsi attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. « Approchant » de l’électron, le photon va ainsi le « voir » entouré d’un « nuage » de charge positive dû aux positrons virtuels attirés. Il aura l’impression que la charge de l’électron est plus faible que celle annoncée. C’est une version quantique de l’effet d’écran. (…) Revenons à notre électron absorbant un photon tout en s’entourant d’un nuage virtuel contenant plus de positrons que d’électrons. Si le transfert augmente, le photon peut « voir » avec plus détail. Il « attrapera » l’électron avec une partie plus faible de ce nuage positif qui l’entoure. Le photon aura l’impression que la charge de l’électron augmente avec le transfert qu’il apporte. (…) L’effet principal peut être conçu comme la transformation de photon en une paire électron-positron, qu’il réabsorbe avant l’interaction. (…) La diversité sort de la structure du vide. (…) Le vide du modèle standard a une structure. Il se comporte d’une façon analogue à un corps supraconducteur. (…) Si le temps d’observation est de dix puissance moins 21 secondes (…) des paires électron-positron peuvent spontanément apparaître. Si le temps d’observation tombe à dix puissance moins 24 secondes, (…) le vide peut bouillonner de pions. Sur un temps de dix puissance moins 26 secondes, une particule Z peut se manifester. (…) Quand on atteint un temps de dix puissance moins 44 secondes, la gravitation devient quantique. (…)
Ce vide bouillonne d’activité. Il peut même exister sous plusieurs formes et manifester une structure. (...) Le vide bouillonne de particules à très faible échelle de temps. (...) Si le temps d’observation est de 10 puissance -21 s, (…) des paires électron-positon peuvent spontanément apparaître. Si le temps d’observation tombe à 10 puissance -24 s, (...) le vide peut bouillonner de pions. Sur un temps de 10 puissance -26 s, une particule Z (...) peut se manifester. Quand on atteint (...) 10 puissance -44 secondes (...) le tissu même de l’espace-temps se trouve soumis à ces fluctuations quantiques.
(…)
En physique quantique, il faut renoncer à considérer une particule comme parfaitement localisable. Il faut accepter un certain « flou » couvrant au moins une certaine distance (...) inversement proportionnelle à la masse. (...) Ne peut-on envisager l’observation d’un électron pendant un temps très court durant lequel il ne pourrait parcourir qu’une 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 positons) qui peuvent être librement émises et réabsorbées durant ce temps très court.
(…)
Les états quantiques peuvent s’ajouter. Un proton peut tout aussi bien se trouver simultanément dans plusieurs états d’impulsions et de polarisations différentes. (...)

Si un électron entre et sort d’une boite (une zone par exemple) (...), on ne peut pas dire que c’est le même électron qui entre et qui sort. (...) La masse est longtemps apparue comme une propriété fondamentale. N’est-il pas surprenant de la voir maintenant apparaître comme une propriété purement dynamique, liée aux propriétés du vide et à la façon dont elles affectent les particules qui s’y trouvent ? (...) Cette nouvelle conception de la masse est une révolution importante. Ce qui apparaissait comme une propriété intrinsèque et immuable se voit relégué au rang d’effet dynamique dépendant des interactions et, avant tout, de la structure du vide.

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. (…)

Une résonance est un phénomène bien connu en physique. Un objet peut vibrer sur une fréquence particulière. L’exemple le plus connu est le pendule qui, suspendu dans le champ d’attraction terrestre, bat à une fréquence qui ne dépend que de sa longueur. Une masse attachée à un ressort se comporte de la même façon. Elle vibre naturellement à une fréquence qui dépend de la valeur de la constante de rappel du ressort. Il en est de même d’un circuit élémentaire de radio. La fréquence naturelle dépend dans ce cas de la self et de la capacité du condensateur qui le constituent. Soumis à une force extérieure périodique, pour le système masse-ressort, ou à une tension périodique, pour le circuit self-capacité, ces systèmes oscillent selon la variation de la force ou de la tension appliquée mais, si la fréquence s’approche de leur fréquence naturelle d’oscillation, ils s’emballent et les oscillations prennent des amplitudes énormes. Quiconque a utilisé une balançoire a pu expérimenter le phénomène. On dit qu’il y a « résonance. (…)

L’approche philosophique et culturelle des problèmes de la mécanique quantique devait tout naturellement privilégier les discussions sur le déterminisme… Alors qu’au fil des années 1930, Bohr tend à minimiser de plus en plus le côté contradictoire, paradoxale, de la complémentarité des aspects ondulatoire et corpusculaire, Louis de Broglie, au contraire, le souligne de plus en plus. Il parle de contradiction, d’exclusion, de conflit, mais rarement de complémentarité. Le conflit se généralise peu à peu pour devenir le conflit de la cinématique et de la dynamique. De Broglie l’illustre en réactualisant le paradoxe de Zénon : « Dans le macroscopique, Zénon paraît avoir tort, poussant trop loin les exigences d’une critique trop aiguë, mais dans le microscopique, à l’échelle des atomes, sa perspicacité triomphe et la flèche, si elle est animée d’un mouvement bien défini, ne peut être en aucun point de sa trajectoire. Or, c’est le microscopique qui est la réalité profonde, car il sous-tend le macroscopique. »

la suite...

Messages

  • Claude Delmas dans « La bombe atomique »

    La principale découverte de la physique quantique en matière de discontinuité n’est pas le caractère discontinu de la matière ou de la lumière (les quanta). L’idée atomique la contenait déjà. C’est la découverte que les phénomènes fondamentaux de la matière sont fondés sur des sauts. Par exemple, l’électron saute brutalement d’un niveau à un autre de l’atome. S’il n’en était pas ainsi, l’électron rayonnerait de l’énergie et finirait pas chuter sur le noyau de l’atome. De nombreuses expériences comme l’émission de lumière par l’atome ou le choc de matière et de lumière ne peuvent s’expliquer que par un saut quantique. La discontinuité concerne non seulement la matière et la lumière mais aussi l’énergie et le mouvement. Ils sont tout aussi fondamentalement discontinus. Plus l’interaction concerne une importante quantité d’énergie, plus le caractère brutal et révolutionnaire du changement apparaît. Heisenberg rapporte ce dialogue dans « La partie et le tout, Le monde de la physique atomique » : Bohr : « Nous savons déjà depuis vingt-cinq ans ce que signifie la formule de Planck. Nous voyons les discontinuités, les bonds, dans les phénomènes atomiques de façon très directe, par exemple sur un écran à scintillation ou dans une chambre de Wilson. Nous voyons un éclair se manifestant brusquement sur l’écran, ou encore le passage brusque d’un électron à travers la chambre de Wilson. Vous ne pouvez pas tout simplement ignorer ces phénomènes discontinus et faire comme s’ils n’existaient pas. » Schrödinger : « Si ces damnés sauts quantiques devaient subsister, je regretterais de m’être jamais occupé de théorie quantique. »

  • Le diamètre du nuage électronique sphérique de l’atome est de l’ordre de 10 puissance moins 10 mètres. Pour atteindre un centimètre, il faudrait aligner 100 millions d’atomes. Le noyau est encore beaucoup plus petit. Il occupe une sphère d’un diamètre de 10 puissance moins 15 mètres en moyenne, soit près de 100 000 fois plus petite que l’atome.

    Globalement, un atome est donc composé surtout… de vide. Comment expliquer, dans ces conditions, la solidité de la matière, sa résistance quand on la touche ? Autre étrangeté : les électrons sont chargés négativement. Puisque les charges contraires s’attirent, ils devraient donc s’écraser rapidement sur le noyau central de charge positive. Comment expliquer que cet effondrement ne se produise pas ?

  • La discontinuité concerne non seulement la matière et la lumière mais aussi l’énergie et le mouvement. Ils sont tout aussi fondamentalement discontinus.

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