particules virtuelles

[Chadocan]

Bonjour et bonne année,

Je me souviens avoir lu en passant un sujet du forum, que je ne parviens plus à trouver, dans lequel quelqu'un expliquait ce qu'il fallait comprendre par particule virtuelle.
Par exemple, quand on dit que le photon est le vecteur de la force électromagnétique, est ce que je dois comprendre qu'il y'a des photons qui sont échangés ?
Sur ce fameux sujet, je crois me souvenir que M. X (appelons le ainsi) expliquait que cette histoire de particule virtuelle n'était qu'une interprétation pratique que l'on faisait et il avait donné un début d'explication sur l'origine de ce raisonnement. Malheureusement faute de temps je n'avais que survolé la chose et maintenant je ne retrouve plus le sujet (c'est bête...).

Donc, quelle est la nature de ces particules virtuelles ? Est-ce qu'elles "apparaissent" ex nihilo et disparaissent sans vague en vertu du principe d'incertitude d'Heisenberg - ou autre ? J'ai en plus en tête, le rayonnement d'Hawking pour les trous noirs qui repose sur des particules virtuelles, ou l'effet casimir.

J'essaye d'éviter de formuler la question "Existent-elles vraiment ?" (oups, je viens de le faire), en espérant que vous comprendrez ce que je veux dire.

Merci,
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[Gilgamesh]

Il s'agit probablement d'un faux débat, c'est à dire d'un débat de mot. Mais c'est un débat intéressant, parce que justement il pointe la nécessité de déniaiser le concept de "particule".

Le concept initial de particule implique un objet qui existe ou pas. Si je me représente une boîte, et une particule A, la nature même de la matérialité attachée au concept de particule me permet de déterminer sans ambiguïté s'il y a une particule dans la boite ou pas. Si elle y est, elle y est à 100%. Si elle n'y est pas, elle y est à 0%.

Ce concept de particule est assez bien opérant, si on ne lui en demande pas trop. Il devient problématique dès lors qu'on veut par exemple visualiser la position d'un électron sur une orbitale atomique, qui renvoie à une particule réelle. Et il s’essouffle complètement à rendre compte de ce qu'on nomme particule virtuelle. Il s'agit bien des quantas d'un champs, c'est pour ça qu'on continue de les appeler "particules". Mais il n'y a pas grand sens à vouloir en demander plus.

Les particules virtuelles apparaissent comme des étapes calculatoires nécessaires dans les diagramme de Feynman. On serait tenter de n'y voir qu'un artifice de la calcul, vu qu'elles disparaissent à la fin. Mais elle représentent plus que ça, et on peut leur donner un certain genre de réalité physique. On est sûr que les états du vide sont peuplés, sans que les particules que ça représentent soient détectable sauf à donner de l'énergie au champ.

[Chadocan]

Donc si je comprends bien, il faudrait plutôt imaginer une particule comme une densité énergétique localement plus élevée par rapport au champ environnant ?

[MisterH]

Bonjour, devrions-nous parler de "vide virtuel et de particules émergentes ".. Je sais que c'est jouer sur les mots , mais me semble que l'image dans ma tête est plus clair.

Merci!

[A voir en vidéo sur Futura]

[papy-alain]

Une chose n'a jamais été très claire dans mon esprit : peut on dire que la manifestation de ces particules virtuelles soient responsables de l'accélération de l'expansion de l'univers ? S'agit-il bien de cette énergie du vide qui est répulsive ?

[Gilgamesh]

Donc si je comprends bien, il faudrait plutôt imaginer une particule comme une densité énergétique localement plus élevée par rapport au champ environnant ?

C'est une possibilité, mais personne n'a produit d'image mentale complètement éclairante de la réalité quantique. C'est un peu frustrant mais il faut vivre en évitant les débats de mots.

On a des champs qui remplissent l'espace, mais qui possèdent des manifestation locale et discrètes, qu'il faut comprendre comme des états excités, à partir d'un niveau fondamental qui serait "le vide". Un champs c'est une quantité physique qu'on attribue à chaque point de l'espace. Leur donner une forme mathématique (tenseur, vecteur, scalaire) et une valeur permet de faire des calculs, et c'est fort utile, mais ça n'éclaire pas complètement leur nature profonde. Ces champs existent partout et tout le temps mais il échangent de l'énergie (ils sont "couplés") ce qui se manifeste par le fait qu'une particule peut changer de nature (ce qui se traduit par le fait qu'un champ a gagné de l'énergie et qu'un autre en a perdu) ; les invariants dans ces transformations sont des nombres quantiques (spin, charge...) qui ne sont ni des particules, ni des champs. Mettre tout ça ensemble c'est pas forcément très simple mais c'est comme ça que ça se passe.

Bonjour, devrions-nous parler de "vide virtuel et de particules émergentes ".. Je sais que c'est jouer sur les mots , mais me semble que l'image dans ma tête est plus clair.

Merci!

Comme dit, l'essentiel, ce ne sont pas les mots mais le sens physique qu'on leur donne.

Explique : "virtuel" et "émergente".

Une chose n'a jamais été très claire dans mon esprit : peut on dire que la manifestation de ces particules virtuelles soient responsables de l'accélération de l'expansion de l'univers ? S'agit-il bien de cette énergie du vide qui est répulsive ?

C'est l'hypothèse généralement retenue pour expliquer l'énergie sombre. Elle représenterait l'énergie de point zéro du vide (sans densité d'énergie en l'absence de particules réelles).

[0577]

Bonjour,

j'ai écrit un message contenant un début d'explication dans http://forums.futura-sciences.com/ph...irtuelles.html

[Gilgamesh]

Merci, pour cette synthèse c'est très éclairant.

[MisterH]

Bonjour M. Gilgamesh, pour moi le vide est virtuel, car il est une perception , mais non une réalité. Ce que l'ont nomme le vide est en réalité peuplé de champs , d'énergie , d'espace de temps, probablement de particules pas encore connues ( matière noires ou autres. ) . Quand tout ce beau mélange rencontre des proportions adéquates, il y émerge quelque chose très brièvement qui laisse une trace, une information que nous pouvons seulement déduire et pouvant supposé être la copie intangible des particules et d'énergies diverses que nous pouvons mesurer.

Merci

[Garion]

C'est l'hypothèse généralement retenue pour expliquer l'énergie sombre. Elle représenterait l'énergie de point zéro du vide (sans densité d'énergie en l'absence de particules réelles).

Cela m'amène une réflexion.
Si l'énergie du vide est responsable de l'accélération de l'expansion. C'est donc qu'elle fourni un travail, dans ce cas là, elle devrait diminuer, non ?

[Gilgamesh]

Bonjour M. Gilgamesh, pour moi le vide est virtuel, car il est une perception , mais non une réalité.

J'ai du mal à conceptualiser une perception non réelle, au plan physique...

Ce que l'ont nomme le vide est en réalité peuplé de champs , d'énergie , d'espace de temps, probablement de particules pas encore connues ( matière noires ou autres. ) . Quand tout ce beau mélange rencontre des proportions adéquates, il y émerge quelque chose très brièvement qui laisse une trace, une information que nous pouvons seulement déduire et pouvant supposé être la copie intangible des particules et d'énergies diverses que nous pouvons mesurer.

Merci

De ce fait, j'aurais envie de dire l'inverse : il y a plein de réalités non perçues dans le vide.

[Gilgamesh]

Cela m'amène une réflexion.
Si l'énergie du vide est responsable de l'accélération de l'expansion. C'est donc qu'elle fourni un travail, dans ce cas là, elle devrait diminuer, non ?

Eh... C'est là toute la beauté thermodynamique de la chose.

Le travail d'un fluide en expansion (cad qui augmente son volume : dV > 0) entraîne classiquement la diminution de l'énergie interne U, on a :

dU = -PdV [1]

où P est la pression

Mais vu que par ailleurs le vide a une densité d'énergie constante ρ= cte et positive, on peut écrire que cette variation d'énergie interne est très exactement:

dU = ρdV [2]

Et qu'elle est donc positive cette fois.

De [1] + [2] on tire :

P = -ρ

La pression est de même valeur mais de signe opposé à la densité d'énergie. Comme ρ est positif, la pression est négative, ce qui est tout à fait inédit au plan physique. Et comme la trace du tenseur impulsion énergie est ρ+3P, ça donne une quantité négative, ce qui fait du vide un fluide "antigravitaire" qui entraine l'expansion de la métrique. On tient enfin un "moteur" pour l'expansion. Et pour expliquer que l'expansion ait commencée à un taux très élevée, il faut donner à ρ une valeur très élevée à l'origine. A la densité d'énergie du vide, pas de la matière (qui a l'effet inverse de ralentir l'expansion). Donc au début du vide de densité d'énergie très élevée entraîne une inflation cosmique, puis un changement d'état qui convertit l'énergie du vide en plasma chaud => Big Bang.

[papy-alain]

Les particules virtuelles n'interagissent pas avec les particules réelles. Dés lors, comment peut on concevoir physiquement cette pression négative ?

[Chadocan]

C'est une possibilité, mais personne n'a produit d'image mentale complètement éclairante de la réalité quantique. C'est un peu frustrant mais il faut vivre en évitant les débats de mots.

On a des champs qui remplissent l'espace, mais qui possèdent des manifestation locale et discrètes, qu'il faut comprendre comme des états excités, à partir d'un niveau fondamental qui serait "le vide". Un champs c'est une quantité physique qu'on attribue à chaque point de l'espace. Leur donner une forme mathématique (tenseur, vecteur, scalaire) et une valeur permet de faire des calculs, et c'est fort utile, mais ça n'éclaire pas complètement leur nature profonde. Ces champs existent partout et tout le temps mais il échangent de l'énergie (ils sont "couplés") ce qui se manifeste par le fait qu'une particule peut changer de nature (ce qui se traduit par le fait qu'un champ a gagné de l'énergie et qu'un autre en a perdu) ; les invariants dans ces transformations sont des nombres quantiques (spin, charge...) qui ne sont ni des particules, ni des champs. Mettre tout ça ensemble c'est pas forcément très simple mais c'est comme ça que ça se passe.


Comme dit, l'essentiel, ce ne sont pas les mots mais le sens physique qu'on leur donne.

Merci à vous pour l'explication, ca me semble bien clair désormais.
Merci également à 0577, c'est bien à ce sujet que je pensais (j'ai pourtant recherché "virtuelle" dans le forum sans succès, je crois que je n'ai toujours pas compris comment fonctionne l’outil de recherche ), vous êtes donc le fameux M. X

[Gilgamesh]

Les particules virtuelles n'interagissent pas avec les particules réelles. Dés lors, comment peut on concevoir physiquement cette pression négative ?

Un champ quantique se modélise comme une superposition d'états, chaque état représente un niveau d'énergie, et un niveau d'énergie c'est une particule. Comme la résolution du système dépend de l'addition de la valeur de ces états superposés, il y a en ce sens interaction entre ces états et la particule réelle, qui n'est que l'un de ces états, celui qui est mesuré. La "multiplicité" du vide, le fait qu'il s'agit d'une superposition d'état se traduit par l'émission spontanée, l'effet Casimir, l'effet Lamb, qui sont bien observé sur des objets réels.

Pour la pression négative, on l'explique phénoménologiquement par le fait que pour augmenter le volume de vide, il faut travailler vu que le vide représente de l'énergie même en l'absence de particule réelle.

[papy-alain]

Peut être avons nous à portée de main une énergie gratuite et infinie que nous ne savons pas (pas encore) utiliser.

[Gilgamesh]

Peut être avons nous à portée de main une énergie gratuite et infinie que nous ne savons pas (pas encore) utiliser.

Pour disposer de l'énergie, il faut un système à deux états, un état E1 d'énergie élevé et un état E0 d'énergie plus basse. Le vide par définition c'est E0 et donc en l'état il est impossible de disposer d'un état d'énergie plus basse que le vide lui même. Maintenant, on peut concevoir un changement d'état du vide vers un vide de plus basse énergie, mais a priori ça représenterait pas grand chose (1 GeV/m3), on n'a aucun idée de comment changer ça, et en tout hypothèse ça aurait l'inconvénient de signer notre disparition immédiate ainsi que de tout ce qui existe autours de nous, par changement des lois de la physique.

[papy-alain]

Je trouve ton avis bien pessimiste. On ignore encore tellement de choses, qui doivent encore être découvertes...
Si on avait dit à Louis XIV qu'on irait sur la Lune, il aurait sans doute répondu que cela n'arrivera jamais.

[Deedee81]

Salut,

Je trouve ton avis bien pessimiste. On ignore encore tellement de choses, qui doivent encore être découvertes...
Si on avait dit à Louis XIV qu'on irait sur la Lune, il aurait sans doute répondu que cela n'arrivera jamais.

Et il aurait eut raison de le dire car après tout on ne peut extrapoler l'avenir qu'à partir de ce qu'on connait. On fait déjà beaucoup de spéculation "brutales", alors.... !
Gilgamesh a quand même été prudent en disant "en l'état" ou "en tout hypothèse" .....

[Gilgamesh]

Je trouve ton avis bien pessimiste. On ignore encore tellement de choses, qui doivent encore être découvertes...
Si on avait dit à Louis XIV qu'on irait sur la Lune, il aurait sans doute répondu que cela n'arrivera jamais.

A l'époque de Louis XIV, le voyage dans la Lune semblait beaucoup plus facile que ça ne le fut réellement, voir Le songe ou l'astronomie lunaire de Kepler. On n'avait aucun élément pour anticiper la difficulté et l'incroyable débauche de moyen qu'il a fallu dépenser. Le voyage décrit est effectivement impossible et le sera pour toujours car la Lune et la dynamique ne ressemblent pas à ce que Kepler imaginait. Les éléments réalistes quand on en trouve éveillent l'attention, mais il ne faut pas perdre de vue qu'ils restent anecdotiques. C'est en général le cas de la littérature d'anticipation. La plupart des choses imaginées sont irréalisables et le seront toujours.

[Deedee81]

Ah tiens, je ne savais pas tout ça (enfin, sauf la dernière phrase, bien sûr ). Merci,

[Garion]

Eh... C'est là toute la beauté thermodynamique de la chose.

Le travail d'un fluide en expansion (cad qui augmente son volume : dV > 0) entraîne classiquement la diminution de l'énergie interne U, on a :

dU = -PdV [1]

où P est la pression

Mais vu que par ailleurs le vide a une densité d'énergie constante ρ= cte et positive, on peut écrire que cette variation d'énergie interne est très exactement:

dU = ρdV [2]

Et qu'elle est donc positive cette fois.

De [1] + [2] on tire :

P = -ρ

La pression est de même valeur mais de signe opposé à la densité d'énergie. Comme ρ est positif, la pression est négative, ce qui est tout à fait inédit au plan physique. Et comme la trace du tenseur impulsion énergie est ρ+3P, ça donne une quantité négative, ce qui fait du vide un fluide "antigravitaire" qui entraine l'expansion de la métrique. On tient enfin un "moteur" pour l'expansion. Et pour expliquer que l'expansion ait commencée à un taux très élevée, il faut donner à ρ une valeur très élevée à l'origine. A la densité d'énergie du vide, pas de la matière (qui a l'effet inverse de ralentir l'expansion). Donc au début du vide de densité d'énergie très élevée entraîne une inflation cosmique, puis un changement d'état qui convertit l'énergie du vide en plasma chaud => Big Bang.

Merci pour ta réponse (même si j'avoue ne pas avoir tout compris, étant un physicien "amateur" )
Mais qu'est-ce qui montre que la densité d'énergie du vide est constante malgré l’expansion ?

[Gilgamesh]

Merci pour ta réponse (même si j'avoue ne pas avoir tout compris, étant un physicien "amateur" )
Mais qu'est-ce qui montre que la densité d'énergie du vide est constante malgré l’expansion ?

Disons que telle qu'on se représente la chose, une variation de la densité du vide, ça représente ni plus ni moins qu'un changement des lois de la Physique. Donc dire que les lois de la physique n'ont pas changé depuis le Big Bang ou dire que la constante cosmologique est bien constante, ce sont deux propositions équivallentes.

[papy-alain]

Disons que telle qu'on se représente la chose, une variation de la densité du vide, ça représente ni plus ni moins qu'un changement des lois de la Physique. Donc dire que les lois de la physique n'ont pas changé depuis le Big Bang ou dire que la constante cosmologique est bien constante, ce sont deux propositions équivallentes.

Mais puisque les particules virtuelles se créent sans cesse, la densité du vide reste constante même si l'on y prélève de l'énergie. N'est ce pas ce que fait le rayonnement Hawking ?

[Deedee81]

Salut,

Mais puisque les particules virtuelles se créent sans cesse, la densité du vide reste constante même si l'on y prélève de l'énergie. N'est ce pas ce que fait le rayonnement Hawking ?

Attention, dans le rayonnement de Hawking l'énergie est prélevée au trou noir, pas du vide.

Par contre on a bien une variation de la densité d'énergie du vide dans l'effet Casimir par exemple (et pas seulement à cause de la variation de volume, je parle bien de la densité d'énergie).

Bref, c'est un "tantinet" compliqué... et en plus incertain. Il y a par exemple des problèmes de renormalisation dans le cas du rayonnement de Hawking : des paramètres uniquement mesurables (et qu'on ne sait pas (encore) mesurer) qui donc rendent inconnu la densité d'énergie du vide autour d'un trou noir.

[Gilgamesh]

Mais puisque les particules virtuelles se créent sans cesse, la densité du vide reste constante même si l'on y prélève de l'énergie. N'est ce pas ce que fait le rayonnement Hawking ?

Dans le cas du rayonnement de Hawking il faut considérer que l'on prélève des particules dans l'océan de l'état fondamental et qu'on leur fournit de l'énergie pour les élever à un niveau d'énergie qui les rend observable (c'est à dire qu'on leur donne une énergie qui sera susceptible d'être restituée au récepteur). Cette énergie est prélevée sur le champ de gravité du trou noir, ce qui le fait maigrir. On n'a rien prélevé de l'énergie du vide dans l'affaire.

[Chadocan]

C'est probablement l'explication sur le rayonnement d'Hawking la plus claire que j'ai pu lire, merci !