Physique quantique for dummies

Merci à vous de continuer vos efforts pour alimenter notre curiosité et nous permettre de réduire notre ignorance dans ce domaine avec vos partages de qualité élevée, tim9.5.

Oui fift, ce qui est impossible. A cause de cela on ne peut non seulement ne pas aller plus vite que la lumière avec un vaisseau, mais en plus on ne peut même pas atteindre cette vitesse. Il faut trouver un autre moyen

Nom d'une pipe, ça m'énerve ces histoires de masse.
Je n'arrive toujours pas à comprendre ce que c'est et ce que ça représente.

Moi qui pensais que depuis qu'on avait retrouvé le boson de Higgs, tout était résolu. Bah nan. Pffff ...

(bon, visiblement, je ne suis pas le seul, mais ce n'est pas une raison).




(bon, j'ai l'air de plaisanter comme cela, mais vraiment merci Tim pour tes précieuses contributions)

Par chance fift je suis tombé sur un livre récemment qui parle de ça. J’écrirai donc bientôt là dessus. E=mc2 n’a pas dit son dernier mot! Patience…

E = m.c² je trouve cela plus propre.

Non, non, je ne suis pas mauvais en physique et je ne fais pas semblant de m'y connaître...

J'ai demandé à ChatGPT de calculer l'énergie en Joules pour déplacer un gramme à 10% de la vitesse de la lumière. Sa réponse :
- 16'000x l'énergie dispersée par Little Boy;
-2.5 secondes d'énergie nucléaire forgée au coeur du Soleil.
Attention, le chaton fait souvent des bourdes de calcul ou de français.
Exemple : comment se nomme la famille des particules qui n'ont pas de masse ?
Réponse : les particules massives !?

Ce n'est pas pour demain que l'I.A. sera diplômée en physique quantique.

Le livre « Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur l’Univers. Jorge Cham et Daniel Whiteson » explique bien le passage de la notion de substance pesante à énergie. Voici leur raisonnement avec des extraits de leur livre.

Zoom sur la matière :
Dans un atome, beaucoup de vide, mais on y distingue deux types de particules fondamentales ayant une masse : les électrons et les quarks up et down. Deux quarks up et un quark down forment un proton. Un neutron, c’est un quark up et deux quarks down.

Si les quarks pèsent un gramme, trois quarks pèseront 3 grammes, mais un proton en pèsera 300g.
Il y a 297g qui ne provient pas de la matière, mais c’est l’énergie nucléaire forte qui rassemble les quarks qui confère cette masse au proton.
Le 99% de la masse de la matière est donc de l’énergie.
Il reste un 1% à expliquer : de quoi est fait la masse d’un quark et celle d’un proton (ou d’un neutron) ?
On tombe à nouveau sur de l’énergie.
Cette masse provient de l’interaction des deux particules dans un champ scalaire, le champ de Higgs qu’on suppose recouvrant l’univers entier.

« La masse de chaque particule n’est en fait que l’intensité de son lien avec l’énergie du champ de Higgs.»
« Et nous pouvons aller encore un peu plus loin. Selon la théorie quantique, les quarks et les électrons eux-mêmes ne sont rien d’autre que de petites ondulations d’énergie dans les champs quantiques qui imprègnent l’univers. (…) En somme, les particules elles-mêmes ne sont qu’(une forme d’)énergie ! » « Une partie de cette énergie se trouve dans les particules, une autre dans les liaisons entre les particules, et une autre encore dans le mouvement des particules. Mais tout cela n’est qu’une réserve d’énergie. »

Exemple : « si un astéroïde absorbe un rayon de soleil et se réchauffe, sa réserve d’énergie augmente. Et plus d’énergie implique que l’astéroïde sera plus difficile à déplacer et qu’il pèsera davantage en raison de la gravité. Par conséquent, les roches chaudes sont réellement plus massives que les roches froides. Bien sûr, la différence est faible : rappelez-vous que, pour calculer le changement de masse équivalent, vous devez diviser l’énergie du photon par la vitesse de la lumière au carré, un nombre gigantesque. »
Conclusion : « La célèbre équation (e=mc2) nous dit qu’il existe un lien profond entre la masse et l’énergie, ce qui ne revient pas à dire que la masse est quelque chose qui peut être transformée en énergie. »
« Voilà qui change fondamentalement notre façon de voir l’Univers : au lieu d’être rempli de matière et d’énergie, il n’est plus qu’énergie, nous compris. De façon très réelle, nous sommes des êtres lumineux faits d’énergie. » (p.175 à 177).

Je n'ai qu'une seule chose à dire à tout cela :

Oh tiens, un chat.


Tim> Ce que je comprends ici, c'est le fonctionnement de la masse intertielle : il y a ralentissement lorsqu'il y a interaction entre la particule (via le boson ?) et le champ de Higgs. Tiens, ce champ d'ailleurs, il est de quelle nature ? Comment interagit-il avec les particules massiques ?
Et comment se fait-il que deux masses s'attirent l'une l'autre ?

Je laisse tim9.5 répondre, mais je propose ceci en attendant :

Trad rapide d'un bout de script a écrit:...
Il n'est tout simplement pas possible d'attraper un seul électron ou quark et de le tenir entre les doigts ou entre de minuscules pincettes quantiques, parce que la théorie quantique des champs dit qu'il n'y est probablement pas. C’est à peine plus qu'un pic transitoire trop fugitif dans le champ électrodynamique quantique. Le concept même de particules qui remplissent le cosmos est une quantification simplifiée de champs toujours changeants qui sont tissés à travers le tissu de l'espace et du temps, pas seulement le champ de Higgs ou le champ électromagnétique, mais aussi beaucoup d'autres qui se superposent et interagissent les uns avec les autres. On pense qu'il y a 24 champs quantiques distincts qui imprègnent l'univers : 12 pour les différentes forces fondamentales, dont la masse, neuf pour les quarks et trois pour les leptons. Comme des ondulations de gouttes de pluie dans un étang, les pics et les creux de ces champs indépendants interagissent et interfèrent les uns avec les autres, créant des modèles semi-stables et des pics plus grands, dont les effets se propagent plus loin que les minuscules ondulations qui les ont faits. Ces motifs d'interférence viennent définir les plus grosses particules composites : les protons, les atomes et les molécules de notre expérience. Et donc c'est la vérité bizarre qui se cache au fond du terrier du lapin, un univers composé uniquement de champs en interaction. A son niveau le plus fondamental, la matière tangible, à laquelle nous nous accrochons avec tant de ferveur, peut en fait n'être guère plus qu'un vigintillion d’ondulations d'énergie quantique qui passent. Quand les philosophes indiens il y a près de 3 000 ans imaginaient que rien n'est réel, ils ne pouvaient pas savoir à quel point ils avaient raison.
...

C'est la quasi toute fin de cette vidéo (chouette chaîne soeur de l'autre chouette chaîne) :
History of the Universe - What Really Is Everything?



Je précise que j'ai revu rapidement la traduction mais que je conseille la version originale, en anglais, avec bon sous-titres disponibles (d'où le bon script également). Je trouve délicat de transposer de l'anglais au français un récit à la fois très bon scientifiquement et en termes de narration. Et je ne pense pas que ça vaille la peine que j'y passe plus de temps que ça.

T'es chiante Topsy, c'est super intéressant ce que tu mets, mais ça ouvre plein de questions supplémentaires .

Je vais regarder la video.

Voilà tout est bien dit

V’la un titre qu’il est alléchant !

Remarque sur le champ de Higgs :
c'est un champ scalaire, comme celui de la température.
On imagine notre planète recouverte de nombres invisibles, pour chaque emplacement. Quand je place un thermomètre à un endroit, cet appareil révèle le nombre caché. Scalaire veut dire nombre.
Dans le vide, le champ de Higgs possède une valeur constante. C'est sa caractéristique.
Quand un grain de lumière - un photon - se trouve quelque part, il n'interagit pas avec le champ. Sa masse est donc nulle.
Quand un électron se trouve dans le champ, il réagit avec ce dernier et sa masse apparaît. Sans le champ de Higgs, l'électron n'a pas de masse.

Depuis qu'est vérifié la dualité onde/corpuscule de l'électron par exemple, on peut représenter des interactions soit sous forme d'éclair comme sur l'image de départ de la vidéo ci-dessus entre trois quarks, soit sous forme de petits ronds, les particules.
Chaque champ à donc son pendant particulaire.

Une analogie pour comprendre le boson de Higgs: on suppose que notre champ scalaire de Higgs est représenté par une foule homogène dans une soirée pièce fermée.
La suite sur lit sur les 4 paragraphes du forum suivant, explicitant les 4 photos du cocktail : https://forums.futura-sciences.com/physique/363452-fameux-boson-de-higgs.html

Merci de ces partages de haute qualité, à mon humble avis.

Je me questionne, et par le moyen de ce message, je vous questionne aussi, concernant la "séparation" entre les lois physiques de l'infiniment grand et les lois physiques de l'infiniment petit. Quelle est cette séparation selon les savoirs actuels des différents courants de la physique ? Comment cela est actuellement activement recherché dans le domaine des sciences physiques ? (j'ai entendu parler de trouver la formule qui unifie la physique et la physique quantique)

Salut Jérémy!
Il y a deux théories ultra bien vérifiées expérimentalement :
1) la relativité générale qui explique comment un objet influence l’espace-temps, qui à son tour va modifier la trajectoire de l’objet. Elle décrit donc la gravité.
2) la physique des particules qui explique 3 forces sur les quatre qui régissent l’univers :
A) la force électromagnétique qui explique l’interaction des électrons avec les noyaux atomiques;
B) l’interaction forte qui explique le lien entre protons et neutrons, ainsi que les quarks entre eux;
C) l’interaction faible qui permet la désintégration des noyaux (la radioactivité).
Et si ces 4 forces étaient une même force vue d’un point de vue différent?
C’est une question théorique qui est posée depuis 50 ans, mais dont les preuves sont inexistantes. La découverte de nouvelles particules, notamment celles prédites par des théories unificatrices telles que la supersymétrie ou la théorie des cordes, pourrait constituer une preuve expérimentale en faveur de la théorie du tout. On aimerait tant découvrir de nouvelles particules au CERN, qui ne soient pas déjà étiquetées (comme le boson de Higgs).

Le big bang a aussi besoin d’une théorie unifiée pour comprendre les premiers instants (avant 10^-44 s), là où les deux théories 1) et 2) ne fonctionnent plus.

Divers concepts méritent d’être intégrés dans une plus grande théorie: la matière noire et l’énergie noire. On sait qu’elle existent et font que ce qu’on appelle matière ne constitue en fait que 4% de l’univers!

Autrement dit, on aimerait expliquer la gravité par un échange de particules nommées gravitons entre deux masses. Pour l’instant le graviton est indétectable.
J’espère avoir répondu à tes questions et n’hésite pas à demander des éclaircissements!

Jeremy, David Louapre (science étonnante) a fait d’excellentes vidéos sur ce sujet :
- une sur les travaux de Hawking et les débuts de la théorie du tout :


- une sur la théorie des cordes (dont la détection des particules super symétriques validerait la théorie)


- une sur la gravité quantique à boucles, qui est une des théories alternatives à la théorie des cordes - et accessoirement son sujet de thèse.

Merci, tim9.5, pour ces éclaircissements déjà conséquents que je vais digérer progressivement. Et merci de cette proposition pour plus d'éclaircissements, je n'hésiterai pas à venir écrire ici quand au moins une autre question sur ces objets de questionnements surgira.

Merci, fift, je vais m'y intéresser.

Du coup, j'ai mis les liens.

Je trouve particulièrement éclairant le passage dans la video sur la théorie des cordes où il explique pourquoi la quantification de la relativité générale pose problème, et quels sont les "trucs" utilisés par la théorie des cordes pour y remédier - et quels sont les conséquences de ces "trucs" (espaces à 10 dimensions, existence de la supersymétrie, etc).

Il indique également pourquoi on a besoin d'unifier relativité générale et mécanique quantique dans le cas des trous noirs et du big bang.

Merci.

Moi que l'existence d'une masse négative questionne depuis longtemps, un collègue m'a gentiment envoyé ceci :
https://hal.science/hal-02435139/document

Une réflexion qui expliquerait par l'existence de masses gravitationnelles négatives l'expansion de l'univers (la masse inerte restant une masse uniquement positive).
Le problème, c'est qu'ils postulent que cette masse gravitationnelle négative serait portée par les particules d'anti-matière. Or, une expérience du CERN a récemment montré que les anti-particules "tombaient" dans le vide comme les particules. L'hypothèse présenté&e dans le papier n'est donc plus valable mais n'en reste pas moins intéressante d'un point de vue conceptuel.

Et il y a des références pour poursuivre le sujet, notamment un papier un peu plus ancien considérant lui des masses gravitationnelle ET interte négative : Ici

A suivre, donc.

Comme tu le dis (et sans grande surprise), le fait que l'antimatière tombe comme la matière a été prouvé récemment.  

De plus:

fift a écrit:
https://hal.science/hal-02435139/document

Ceci n'est pas un article de recherche. Il y a déjà beaucoup à faire dans les théories produites par les gens qui ont choisi de dédier leur vie, 8 h par jour et 5 jours par semaine (parfois même bien plus) à apprendre correctement les théories, ayant triomphé d'une sélection très rude et publiant dans des revues scientifiques renommées et dotée d'un sévère comité de lecture.

Oui, comme je l'ai écrit, c'est juste une piste de réflexion. Comme je trouve "marrant" le concept de masse négative, je m'intéresse un peu à ce qui sort sur le sujet - même si, selon toute probabilité, les masses sont irrémédiablement positives. Ceci étant dit, il n'est pas interdit de se demander pourquoi.

Je ne suis ce sujet qu'en dilettante, je peux donc me permettre ce genre de digression .

Plus sérieusement, je reste fortement intrigué par le concept de masse, et notamment la traduction de la masse pesante à l'échelle microscopique. Est-ce qu'à cette échelle la la masse comme courbure de l'espace-temps est encore pertinente ? Et sinon, quoi ? Et quelle relation avec le boson de Higgs (si jamais il a - ou pas - un rôle à jouer là-dedans) ?

Si tu as des articles sérieux là-dessus, je prends. Le problème, c'est que je tombe systématiquement sur des papiers qui dépassent de loin mon niveau, notamment mathématique (sur le plan de la physique des particules en lui-même, j'arrive encore à m'en sortir).

fift a écrit:Si tu as des articles sérieux là-dessus, je prends. Le problème, c'est que je tombe systématiquement sur des papiers qui dépassent de loin mon niveau, notamment mathématique.

Je ne connais pas la vulgarisation.

fift a écrit:sur le plan de la physique des particules en lui-même, j'arrive encore à m'en sortir.

C'est déjà énorme. Si tu connais la QFT, l'essentiel de ce que je vais te raconter peut te sembler enfantin.


Le concept de masse n'est pas si simple qu'il y paraît. Il apparaît dans différents contextes sans qu'il soit toujours évident de lier différents aspects de manière fondamentale. D'une manière macroscopique, la masse est lié au concept d'inertie, ainsi qu'à la modification du tenseur d'Einstein (un mélange basé sur le tenseur de Riemann et la métrique, le seul mélange qui ait les "bonnes propriétés") - mais la masse au repos des particules n'est qu'une composante de la chose (au total, il faut regarder le tenseur d'énergie-impulsion en entier, qui effectivement se réduit essentiellement à sa composante temps-temps dans les cas courants).

Dans le milieu microscopique, c'est autre chose. D'abord, personne n'est capable de tester finement la RG à petite échelle actuellement. Ensuite, la masse débaroule dans divers concepts : longueur de de Broglie, longueur de Compton... En mécanique quantique non relativiste, c'est un simple paramètre. Mais si on s'enfonce vers la QTF, il faut expliquer en effet pourquoi certains bosons issus de symétrie de jauge (le Z et les W) ont une masse alors qu'on s'attendrait à ce que ce ne soit pas le cas (comme pour le photon et le gluon). Là, pour le coup, cette masse est acquise à la transition électrofaible du fait du mécanisme de Higgs (qui met en jeu le couplage avec le champ de Higgs, dont le boson est un quanta - mais le boson de Higgs en lui-même ne donne de masse à personne).

Enfin, il ne faut pas oublier que l'écrasante majorité de la masse d'un proton ou d'un neutron, par exemple, est issue de son énergie de liaison, qui est bien supérieure à la masse des 3 pauvres quarks les composant (tu me répondras peut-être que les diagrammes de Feynman de l'interaction forte peuvent faire intervenir un nombre arbitrairement grand de paires de particules-antiparticules virtuelles, mais justement, elles ne sont pas réelles pour autant qu'on sache, donc ce n'est pas une très bonne manière de voir la masse). La masse au repos n'étant au finale qu'une forme d'énergie comme une autre.

J'ai une question de physique fondamentale (et qui touche au quantique) qui me tarabuste.

Un petit schéma valant mieux qu'un long discours, la question vient après.
A noter que la forme des milieux A et B n'a aucune espèce d'importance, et qu'il ne s'agit que de théorie,
puisque le zéro absolu est impossible à atteindre.
A et B sont des milieux de vide absolu. (ligne ajoutée par édition)
Enfin, la nature de la lumière n'a aucune espèce d'importance non plus (ampoule, faisceau laser...), ce qui compte c'est
l'envoi des photons de B vers A.



Alors voici la question (en fait en 2 parties):
1) Que se passe t'il à la frontière entre A et B, là où les photons émis entrent en contact avec la zone à 0°K ?
2) Que se passe t'il au delà de cette frontière (donc dans A) ?

J'ai bien une idée sur la question, mais je souhaite connaître l'avis des "balèzes"...

Mentounasc a écrit:
1) Que se passe t'il à la frontière entre A et B, là où les photons émis entrent en contact avec la zone à 0°K ?
2) Que se passe t'il au delà de cette frontière (donc dans A) ?

Fondamentalement, il ne se passe rien. La température est une notion statistique qui n'a pas de sens à l'échelle d'une particule. Une zone à 0K, donc - du point de vue lumineux - avec l'émission d'un corps noir à 0K, c'est à dire rien, c'est tout simplement le vide. Ta question est "que se passe-t-il lorsqu'un photon arrive dans une zone où il n'y a rien". La réponse est qu'il ne se passe rien de spécial, il continue son trajet.

Après, tu sembles postuler un thermostat gardant ton enceinte à 0K. Cela signifie qu'elle absorbe tout photon qui la frappe et ne ré-émet rien. Donc voilà la fin de l'histoire.

Maintenant, puisque tu parles "d'entrer en contact", si c'est de la matière à 0K (on est donc dans une approximation classique, quantiquement cela n'a pas de sens), eh bien cela dépend des intervalles d'énergie entre les électrons des différentes couches des atomes en présences - ainsi que de l'existence d'électrons libres - et n'a toujours pas grand rapport avec la température. Si le photon est absorbé, il sera soit réémis en une fois (une diffusion, quoi), soit en cascade (comme dans la fluorescence), ou gardé un certain temps, et là le thermostat, s'il est efficace, aura le temps d'absorber l'énergie cinétique acquise par l'atome et qui a commencé à se propager à son voisinage de manière désordonnée. Bref, là encore, la notion de température n'est pas d'une pertinence extrême.

Ce qu'il se passerait avec du très froid qui serait intéressant, c'est qu'aucun élargissement Doppler n'interviendrait sur les raies d'absorption. Un peu comme le spectre émergeant d'un nuage interstellaire, mais là ce serait avec de la matière condensée. Ce n'est pas ma spécialité, je ne sais pas trop si ce genre de choses est faite en labo. Mais encore une fois, ce n'est pas très très spécial, tout ça.

J'apporte un petit complément d'info sur le problème (et j'édite le post pour l'y mettre) :
A et B sont des milieux de vide absolu.

AcideMatt a écrit: La réponse est qu'il ne se passe rien de spécial, il continue son trajet.

Il me semblait que dans le vide et sous zéro absolu, il n'y a aucun mouvement (particule ou onde). Alors que penser ?

Tout dépend de ce que tu appelles "vide" qui est une notion quand même drôlement compliquée en physique.
Voir : https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_du_vide
et : https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_du_point_z%C3%A9ro

Perso, avec une vision néophyte, j'ai simplement envie de dire que si tu bombardes un photon dans un milieu vide absolu, bah ce n'est plus un milieu vide absolu et donc il ne se passe rien de spécial, le photon vit sa vie d'énergie absorbée / émise par les particules qu'il va rencontrer (si tant est qu'on puisse conceptualiser une durée de vie à une telle particule)

ps : j'ai du mal avec un milieu "b" vide mais à 300K

Ceci n'est pas un tigrou a écrit:

ps : j'ai du mal avec un milieu "b" vide mais à 300K

Pareil.
Si c'est "vide", quelles particules vibrent pour créer la température ?

Très juste ! B à 300°K ne peut pas être vide ... j'm'avions planté, y'a que A qui est totalement vide.

Mentounasc a écrit:Très juste !  B à 300°K ne peut pas être vide ... j'm'avions planté, y'a que A qui est totalement vide.

Pas sûr, car si on considère que le photon est une excitation du vide qui se propage (comme une vague en mer au large donc pas de déplacement de matière mais déplacement d'une "excitation locale"), la zone A et la zone B peuvent être considérées de ce point de vue (et il y a peut-être d'autres manières de considérer la chose) tout autant vides, s'ils ne "contiennent" que des photons.
On est là je pense plus dans une question de rhétorique puisque, le vide c'est pas vide, comme ça a déjà été dit.

Le mieux à mon avis avec ces "if questions", c'est d'éviter de poser des situations impossibles à atteindre qui amènent à des paradoxes sans aucun fondement.
C'est plus simple de répondre lorsqu'on part d'une situation connue, et qu'on tente de se placer dans la situation hypothétique.
Donc ici on a un truc qu'on considère (à expliciter pourquoi) non vide (situation C) et on fait le vide (situation A).
Dans ce cas de figure on peut suivre les étapes (ici pour obtenir "du vide" en transformant C en A) et voir si c'est physiquement possible.