Superforce

[Nicolas321]

Bonjour,

Quelqu'un pourrait-il m'expliquer comment fonctionne l'unification des forces a tres hautes énergie?

Si la force électromagnétique devient plus forte, cela signifie-t-il que la permittivité et la perméabilite sont différentes? Ce qui devrait faire changer la vitesse de la lumiere?

Ou bien les particules support de force des forces fortes, faibles et électromagnétiques sont émises avec exactement la meme energie?

A des températures relativement basses les particules s'agencent pour former des atomes, s'agencent-elles differemment pour former d'autres structures a tres hautes températures étant donne que l'intensité des forces est differente? Je veux dire, si les quarks se liberent parce que la force forte est plus faible, peuvent-ils quand meme rester ensemble a cause de leur charge électrique parce que la force electromagnetique est plus faible et former une structure différente?

Ou bien les particules sont-elles incapables de former des structures?

Merci et bonne soirée,
Nicolas.
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[Karibou Blanc]

Salut,

Quelqu'un pourrait-il m'expliquer comment fonctionne l'unification des forces a tres hautes énergie?

Chaque force est décrite par symétrie particulière. En gros, en théorie quantique des champs, chaque force est supposée véhiculée par un champ (de spin 1) dont la dynamique est contrainte par une symétrie (ou plus précisément une invariance de jauge). Ce qu'on entend par unification des forces c'est le fait (l'hypothèse plutot) que plusieurs forces peuvent être décrites par une même et unique symétrie.

Voici une image qui peut-être te parlera. Imagine un dé à 6 faces dont chaque face représente une force. Si tu regardes chacune des faces séparément tu remarques qu'elles sont symétriques sous rotations de 90° (puisqu'elles sont carrées). Maintenant tu peux faire rouler le dé et ainsi te rendre compte qu'en fait il y a une symétrie plus importante que les 6 rotations n'agissant que sur une des 6 faces. C'est nouvelle symétrie à haute énergie* indique qu'il y a un seul objet fondamental, le dé dans son ensemble, et non pas en fait les faces prises séparément.

Si la force électromagnétique devient plus forte, cela signifie-t-il que la permittivité et la perméabilite sont différentes? Ce qui devrait faire changer la vitesse de la lumiere?

La permittivité et la perméabilité en effet changent puisque la constante de couplage varie avec l'énergie. En revanche les deux ne sont pas indépendantes. La première est exactement proportionnelle à l'inverse de la seconde et le coefficient de proportionnalité n'est autre que la vitesse de la lumière (au carré) qui reste constante, comme imposé par la relativité. Cette relation epsilon*mu = constante est le résultat d'une sorte de symétrie (plus précisément de "dualité") des équations de Maxwell régissant l'interaction électromagnétique (dans le vide!). Celles-ci sont invariante sous le remplacement E <-> B et alpha -> 1/alpha, où E (B) est le champ électrique (magnétique) et alpha est la constance de structure fine mesurant l'intensité de la force électromagnétique.

A des températures relativement basses les particules s'agencent pour former des atomes, s'agencent-elles differemment pour former d'autres structures a tres hautes températures étant donne que l'intensité des forces est differente?

Les particules forment des structures à basse énergie car leur mouvement devient trop lent pour leur permettre de s'extirper de l'attraction qu'elles subissent entre-elles due aux interactions. Une structure se forme toujours parce que l'énergie cinétique est plus ou moins (ce qui en caractérise la stabilité) compensée par l'énergie potentielle associée à une interaction. Si les particules sont portées à haute énergie (c'est à dire à des énergies bien plus grande devant l'énergie potentielle), celles-ci sont trop rapides pour ressentir les interactions et aucune structure ne se forme, elles sont "libres".
On pourrait penser que puisque certaines interactions deviennent plus fortes avec l'énergie, il existe un régime où de nouvelles structures se forment malgré la plus grande énergie cinétique. En fait il n'en ait rien pour une raison assez subtile** qui veut que l'intensité des interactions n'augmente (si elle augmente, car elle peut également diminuer selon le cas) que logarithmiquement avec l'énergie. Ainsi l'accroissement de l'énergie potentielle d'interaction est beaucoup trop faible en regard de l'acroissement de l'énergie cinétique pour permettre à de nouvelles structures de se former.


KB

* on peut facilement imaginer qu'il faut plus d'énergie pour faire rouler un dé que pour simplement le faire tourner selon un axe traversant le centre d'une face

** c'est essentiellement du au fait que le couplage des interactions de jauge est sans dimension.

[Nicolas321]

Chaque force est décrite par symétrie particulière. En gros, en théorie quantique des champs, chaque force est supposée véhiculée par un champ (de spin 1) dont la dynamique est contrainte par une symétrie (ou plus précisément une invariance de jauge). Ce qu'on entend par unification des forces c'est le fait (l'hypothèse plutot) que plusieurs forces peuvent être décrites par une même et unique symétrie.

Voici une image qui peut-être te parlera. Imagine un dé à 6 faces dont chaque face représente une force. Si tu regardes chacune des faces séparément tu remarques qu'elles sont symétriques sous rotations de 90° (puisqu'elles sont carrées). Maintenant tu peux faire rouler le dé et ainsi te rendre compte qu'en fait il y a une symétrie plus importante que les 6 rotations n'agissant que sur une des 6 faces. C'est nouvelle symétrie à haute énergie* indique qu'il y a un seul objet fondamental, le dé dans son ensemble, et non pas en fait les faces prises séparément.

Veux-tu dire qu'il y aurait une particule support de cette superforce, et que les particules support de force des forces fortes, faible et em en seraient des dérivées?
Se pourrait-il que les particules support de forces des 3 forces se mettent a fusionner a tres haute température? Est-ce que c'est possible par exemple de faire fusionner un photon virtuel support de force de la force em avec un gluon support de force que la force forte, tout en continuant a faire fonctionner les 2 forces, mais a des intensités differentes?

La permittivité et la perméabilité en effet changent puisque la constante de couplage varie avec l'énergie. En revanche les deux ne sont pas indépendantes. La première est exactement proportionnelle à l'inverse de la seconde et le coefficient de proportionnalité n'est autre que la vitesse de la lumière (au carré) qui reste constante, comme imposé par la relativité. Cette relation epsilon*mu = constante est le résultat d'une sorte de symétrie (plus précisément de "dualité") des équations de Maxwell régissant l'interaction électromagnétique (dans le vide!). Celles-ci sont invariante sous le remplacement E <-> B et alpha -> 1/alpha, où E (B) est le champ électrique (magnétique) et alpha est la constance de structure fine mesurant l'intensité de la force électromagnétique.

Je vois, mais si une compense l'autre pour garder la vitesse de la lumiere constante, cela n'empeche-t-il pas que l'intensité de la fem puisse changer avec la température?

Les particules forment des structures à basse énergie car leur mouvement devient trop lent pour leur permettre de s'extirper de l'attraction qu'elles subissent entre-elles due aux interactions. Une structure se forme toujours parce que l'énergie cinétique est plus ou moins (ce qui en caractérise la stabilité) compensée par l'énergie potentielle associée à une interaction. Si les particules sont portées à haute énergie (c'est à dire à des énergies bien plus grande devant l'énergie potentielle), celles-ci sont trop rapides pour ressentir les interactions et aucune structure ne se forme, elles sont "libres".
On pourrait penser que puisque certaines interactions deviennent plus fortes avec l'énergie, il existe un régime où de nouvelles structures se forment malgré la plus grande énergie cinétique. En fait il n'en ait rien pour une raison assez subtile** qui veut que l'intensité des interactions n'augmente (si elle augmente, car elle peut également diminuer selon le cas) que logarithmiquement avec l'énergie. Ainsi l'accroissement de l'énergie potentielle d'interaction est beaucoup trop faible en regard de l'acroissement de l'énergie cinétique pour permettre à de nouvelles structures de se former.

Ok, mais cela amene une autre qustion: cette energie cinétique tres élevée permettrait-elle de faire fusionner des particules élémentaires en dépassant les forces de repulsions qui existent entre elles a basse température? Par exemple, 2 électrons pourraient-ils fusionner pour donner une particule de charge -2? Ou des quarks fusionner pour former des nouveaux quarks ayant toutes sortes de charges?

Merci de tes explications,
Désolé si c'est plutot basique.
Nicolas.

[Deedee81]

Veux-tu dire qu'il y aurait une particule support de cette superforce, et que les particules support de force des forces fortes, faible et em en seraient des dérivées?

Oui.

Se pourrait-il que les particules support de forces des 3 forces se mettent a fusionner a tres haute température?

Oui mais il faudrait des températures phénoménales (bien au-delà de ce qu'on observe même dans l'espace, avec les étoiles à neutrons par exemple).

(température >> est identique à énergie cinétique >>)

Est-ce que c'est possible par exemple de faire fusionner un photon virtuel support de force de la force em avec un gluon support de force que la force forte, tout en continuant a faire fonctionner les 2 forces, mais a des intensités differentes?

Je ne suis pas sûr de bien comprendre la question, mais de ce que je crois comprendre, la réponse est non.

P.S. il me semble qu'il y a un tout petit malentendu avec le mot "fusion". Ici l'unification concerne une fusion de la nature de ces objets (ils deviennent identique) mais pas d'une fusion comme pour la fusion thermonucléaire.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Karibou Blanc]

en seraient des dérivées?

En seraient les composantes, plutot que les dérivées. Repense à l'image du dé.

Ici l'unification concerne une fusion de la nature de ces objets (ils deviennent identique)

Je suis bien sur d'accord qu'il y a une confusion ((- sur le terme de fusion. Cependant, juste une petite précision. Par unification on entend que des objets qui étaient auparavant complètement indépendants finissent par avoir des comportements corrélés entre-eux, plutot que de devenir identiques. De même, les composantes d'un vecteur ont un comportement coordonné (du fait qu'elles sont unifiés en un seul et unique objet, le vecteur) sous des transformations de rotation, mais elles ne sont pas pour autant identiques.

KB

[Nicolas321]

Oui mais il faudrait des températures phénoménales (bien au-delà de ce qu'on observe même dans l'espace, avec les étoiles à neutrons par exemple).

(température >> est identique à énergie cinétique >>)

Ok, donc a tres hautes températures toutes les particules support de force fusionnent pour n'en former qu'une seule, celle de la superforce? On s'entend bien la dessus?

Je ne suis pas sûr de bien comprendre la question, mais de ce que je crois comprendre, la réponse est non.

P.S. il me semble qu'il y a un tout petit malentendu avec le mot "fusion". Ici l'unification concerne une fusion de la nature de ces objets (ils deviennent identique) mais pas d'une fusion comme pour la fusion thermonucléaire.

Ce que je voulais dire, c'est que toutes les particules support de force ( photon, gluon, boson Z et W), fusionnent pour n'en former qu'une. A quoi ressemblerait une particule resultante de cette fusion?

Autrement dit, a tres haute température, les charges émettent des photons, gluons, bosons Z et W, mais ces particules support de force fusionnent immediatement ensemble des qu'elles sont émises. Les particules de spin demi continuent quand meme d'interagir avec cette particule.

Et plus la température monte, plus la probabilité de fusionner les particules support de force est elevée , jusqu'au point ou la fusion se produit tout le temps.

Est-ce que c'est bien ca? Ou j'ai rien compris .

(Par fusion je ne fais aucun rapport avec la fusion nucléaire, j'entends par la la formation d'une nouvelle particule.)

[Nicolas321]

Je suis bien sur d'accord qu'il y a une confusion ((- sur le terme de fusion. Cependant, juste une petite précision. Par unification on entend que des objets qui étaient auparavant complètement indépendants finissent par avoir des comportements corrélés entre-eux, plutot que de devenir identiques. De même, les composantes d'un vecteur ont un comportement coordonné (du fait qu'elles sont unifiés en un seul et unique objet, le vecteur) sous des transformations de rotation, mais elles ne sont pas pour autant identiques.

KB

Ce que tu veux dire c'est qu'il n'y a pas de "fusion" des particules support de force pour n'en former qu'une seule, mais juste une corrélation dans leur comportement.

Dans ce cas la je ne comprends pas comment il se peut que les 3 forces arrivent a avoir la meme intensité? Quel est le processus qui produit cette corrélation?

Nicolas.

[Deedee81]

Je ne suis pas sûr qu'on puisse répondre à tout là (par exemple à quoi ressemble la particule toute unifiée, car jusqu'ici on a unifié que le champ électromagnétique et l'interaction faible).

Dans ce cas la je ne comprends pas comment il se peut que les 3 forces arrivent a avoir la meme intensité? Quel est le processus qui produit cette corrélation?

A moins que Karibou donne une meilleure description, j'aimerais faire une analogie (surtout que je maitrise mieux ça que la théorie électrofaible ). Avec quelques petits bémols, mais c'est le mieux que j'ai sous la main. C'est le champ électromagnétique qui unifie les champs électriques et magnétiques.

Quand on regarde des charges électriques, par exemple on a de l'électricité statique, on peut en déduire les lois des charges électriques interagissant via le champ électrique.
Quand on regarde des aimants, on peut en déduire les lois des aimants via le champ magnétique.

Puis, on a découvert, que suivant le mouvement des charges, suivant l'observateur, ce qui est un champ électrique pour l'un peut être vu comme un champ magnétique par un autre. Par exemple, si tu as de l'électricité statique sur un tee-shirt, si tu fais de mesures, tu verras un champ électrique et aucun champ magnétique. Un type qui passe en voiture a coté de toi, s'il fait les mêmes mesures, dira "ah, le tee-shirt émet un champ magnétique".

Maxwell a unifié tout ça en montrant que les champs magnétiques et électriques n'étaient que deux facettes d'un seul et même champ, selon la manière dont on les considère.

Premier bémol : pas besoin de monter dans les hautes énergie pour avoir l'unification. Mais l'esprit y est
Deuxième bémol : on a quantifié le champ électromagnétique, ce qui donne le photon. Mais on n'a pas de particules correspondantes pour les champs électriques et magnétiques. Mais on pourrait je pense (pour s'amuser, avec une théorie non relativiste) quantifier séparément champs électriques et magnétiques. On aurait des (allez, choisissons des noms, soyons fous) des électriquons et des magnétiquons. Le photon est alors la particule unifiant les deux. Les électriquons ne sont rien d'autres que des photons vu d'une certaine manière et les magnétiquons de l'autre....
(euh, ça existe en fait, on parle bien de photons électriques et magnétiques, on trouve ça dans le livre d'électrodynamique quantique de Tanoudji, mais ce n'est pas du tout présenté comme je viens de le faire).

J'espère que c'est plus clair.

[Nicolas321]

Je vois ce que tu veux dire mais je ne suis pas sur que ca explique pourquoi les forces arrivent a avoir la meme intensite a haute énergie.

Concernant la force em, je me suis toujours demandé comment il se faisait qu'il y ait 2 champs avec la meme particule support de force. D'apres ce que tu me dis ce serait 2 manieres de voir le meme champ? Est-ce que ce serait du a la polarisation du photon virtuel? Genre le champ électrique est généré avec une certaine polarisation et le champ magnétique avec une polarisation perpendiculaire et/ou la vitesse relative fait percevoir un polarisation différente?

En tout cas ca nous éloigne de la question...

Concernant l'unification, se pourrait-il que la vitesse des particules aient quelque chose a voir avec le fait que les 3 forces en viennent a avoir la meme intensité? A tres hautes temperatures, se pourrait-il que la vitesse des particules chargées produisent un effet doppler a l'emission et a la réception des particules support de force qui fait que toutes les forces finissent par avoir une intensité egale?

La relativité pourrait-elle avoir un role la dedans aussi? Si une particule a une grande énergie cinétique, elle devrait déformer plus l'espace-temps autour d'elle, donc est-ce qu'elle "attirerait" plus de particule support de force? Les particules support de force suivent une ligne droite dans l'espace-temps courbé par la particule, donc devraient etre plus detournes vers les particules??

Mama mia c'est compliqué ca fait peur.

[Deedee81]

Salut,

Je vois ce que tu veux dire mais je ne suis pas sur que ca explique pourquoi les forces arrivent a avoir la meme intensite a haute énergie.

Ah ! Le pourquoi de cette (unification a) haute énergie, ça c'est nettement plus compliqué. C'est lié à la valeur des constantes de couplage et le groupe de renormalisation. Un truc que j'ai toujours eut beaucoup de mal à digérer (la seule fois où j'ai quand même pigé en grande partie c'est avec l'excellent livre "des phénomènes critiques au champs de jauge" de Michel Lebellac). Il y a peut être moyen d'expliquer les choses plus simplement. Mais je ne suis probablement pas le plus qualifié pour ça.

Concernant la force em, je me suis toujours demandé comment il se faisait qu'il y ait 2 champs avec la meme particule support de force. D'apres ce que tu me dis ce serait 2 manieres de voir le meme champ?

C'est ça. En réalité, il n'y a qu'un champ : le champ électromagnétique. Qu'on peut décrire (par exemple), par le tenseur électromagnétique. Les composantes des champs électriques et magnétiques sont des composantes de ce tenseur.

On peut "découper" ce champ en deux champs électrique et magnétique après avoir choisi un repère. Ils portent chacun une partie de l'information sur le champ complet.

Est-ce que ce serait du a la polarisation du photon virtuel? Genre le champ électrique est généré avec une certaine polarisation et le champ magnétique avec une polarisation perpendiculaire et/ou la vitesse relative fait percevoir un polarisation différente?

C'est un peu plus compliqué que ça. C'est lié au développement multipolaire.
C'est assez technique (j'aurais un peu de mal à vulgariser ça) mais c'est fort bien expliquer dans le livre de Cohen Tanoudji "des photons aux atomes". Voici l'extrait en question :
http://books.google.be/books?id=CiK7...olaire&f=false

Concernant l'unification, se pourrait-il que la vitesse des particules aient quelque chose a voir avec le fait que les 3 forces en viennent a avoir la meme intensité? A tres hautes temperatures, se pourrait-il que la vitesse des particules chargées produisent un effet doppler a l'emission et a la réception des particules support de force qui fait que toutes les forces finissent par avoir une intensité egale?

La relativité pourrait-elle avoir un role la dedans aussi? Si une particule a une grande énergie cinétique, elle devrait déformer plus l'espace-temps autour d'elle, donc est-ce qu'elle "attirerait" plus de particule support de force? Les particules support de force suivent une ligne droite dans l'espace-temps courbé par la particule, donc devraient etre plus detournes vers les particules??

Non, c'est lié à l'énergie des particules tout bêtement.

En quelques mots. Pourquoi les constantes de couplage varient-elles (avertissement : vulgarisation grossière) ? Imaginons une particule P portant une charge (électrique, de couleur, ...) et interagissant avec une particule test (appelons là T) par interaction EM, forte, etc..

En fait, P est entouré d'un nuage de particules virtuelles. C'est la particule "habillée". Et vu de loin, c'est tout ce qu'on voit. Un électron de charge q est en fait une particule entourée de particules virtuelles, le tout manifestant cette charge q.

Imaginons maintenant que T a une énergie énorme. Dans ce cas, cela signifie aussi qu'elle a une longueur d'onde extrêmement petite. Elle peut donc être localisée avec une grande précision. Et dans son interaction, elle pourra s'approcher de près de P. Tellement près qu'à très haute énergie, elle va pénétrer le nuage de particules virtuelles. Elle va "voir" quelque chose de différent. Une particule plus nue. La charge "ressentie" par T sera donc différente. Ce qui donne une constante de couplage différente.

C'est une mise "en image", très grossière, du groupe de renormalisation.

Et oui, c'est très compliqué. Malgré que j'ai lu une bonne dizaine de bouquin sur la physique des particules, je suis loin, très loin, de tout maîtriser.

[Nicolas321]

Bonjour,

Ah ! Le pourquoi de cette (unification a) haute énergie, ça c'est nettement plus compliqué. C'est lié à la valeur des constantes de couplage et le groupe de renormalisation. Un truc que j'ai toujours eut beaucoup de mal à digérer (la seule fois où j'ai quand même pigé en grande partie c'est avec l'excellent livre "des phénomènes critiques au champs de jauge" de Michel Lebellac). Il y a peut être moyen d'expliquer les choses plus simplement. Mais je ne suis probablement pas le plus qualifié pour ça.

C'est ça. En réalité, il n'y a qu'un champ : le champ électromagnétique. Qu'on peut décrire (par exemple), par le tenseur électromagnétique. Les composantes des champs électriques et magnétiques sont des composantes de ce tenseur.

On peut "découper" ce champ en deux champs électrique et magnétique après avoir choisi un repère. Ils portent chacun une partie de l'information sur le champ complet.

Ce qui me semble etonnant, ce n'est pas juste que les intensites des forces changent avec l'energie, mais qu'elles arrivent a avoir toutes la meme intensite.

Les 3 forces doivent toutes etre issues du meme phenomene, et ce, malgre le fait que les forces ont l'air d'etre tres differentes les unes des autres. Par exemple, comme tu le dis, le champ em est en fait 2 champs superposes, et est transmis par une seule particule, le photon. La force forte n'est pas 2 champs superposes ( il me semble meme qu'elle ne constitue meme pas ce qu'on appelle un champ ), fonctionne avec 3 couleurs au lieu de 2 charges, les gluons transmettent les couleurs et peuvent interagir entre eux, etc. Bref, les 2 semblent fonctionner de maniere radicalement differente, et pourtant, elles semblent etre issues du meme phenomene. Etrange.

Concernant l'unification, les 3 forces deviennent-elles vraiment UNE force avec UNE particule virtuelle? Ou bien restent-elles 3 forces differentes avec plusieurs particules virtuelles, mais ayant toutes la meme intensite?

C'est un peu plus compliqué que ça. C'est lié au développement multipolaire.
C'est assez technique (j'aurais un peu de mal à vulgariser ça) mais c'est fort bien expliquer dans le livre de Cohen Tanoudji "des photons aux atomes". Voici l'extrait en question :
http://books.google.be/books?id=CiK7...olaire&f=false

J'essaye d'ouvrir le lien mais ca me dit que je n'ai pas acces.

Merci pour la reference du livre. J'avais fait de l'electromagnetisme pendant mes etudes, mais ca fait longtemps, et les cours que j'avais eu ne rentraient pas dans ce genre de details. Quand j'essaye de lire des livres techniques je suis vite perdu.

A mon avis si on ne prend pas des cours de physique universitaire avec un bon prof pour expliquer c'est quasiment impossible a comprendre.

En tout cas, il me semble que cette "bizarrerie" du champs double electrique et magnetique doit etre du a un comportement particulier du photon, autrement les autres forces produiraient le meme genre de phenomene.

Non, c'est lié à l'énergie des particules tout bêtement.

En quelques mots. Pourquoi les constantes de couplage varient-elles (avertissement : vulgarisation grossière) ? Imaginons une particule P portant une charge (électrique, de couleur, ...) et interagissant avec une particule test (appelons là T) par interaction EM, forte, etc..

En fait, P est entouré d'un nuage de particules virtuelles. C'est la particule "habillée". Et vu de loin, c'est tout ce qu'on voit. Un électron de charge q est en fait une particule entourée de particules virtuelles, le tout manifestant cette charge q.

Imaginons maintenant que T a une énergie énorme. Dans ce cas, cela signifie aussi qu'elle a une longueur d'onde extrêmement petite. Elle peut donc être localisée avec une grande précision. Et dans son interaction, elle pourra s'approcher de près de P. Tellement près qu'à très haute énergie, elle va pénétrer le nuage de particules virtuelles. Elle va "voir" quelque chose de différent. Une particule plus nue. La charge "ressentie" par T sera donc différente. Ce qui donne une constante de couplage différente.

C'est une mise "en image", très grossière, du groupe de renormalisation.

Et oui, c'est très compliqué. Malgré que j'ai lu une bonne dizaine de bouquin sur la physique des particules, je suis loin, très loin, de tout maîtriser.

Je vois ce que tu veux dire, mais a ce moment la, quand la temperature augmente, l'intensite de la force devrait changer surtout a plus courte distance.

De plus, la longueur d'onde de T est tres petite, mais l'amplitude de T devrait augmenter par contre. La fonction d'onde de la particule occupe-t-elle reellement moins de place pour lui permettre de s'approcher plus?

Qu'en est-il aussi du principe d'exclusion de Pauli entre les particules? Si les particule ont plus d'energie, pourrait-elle plus contrecarrer le principe d'exclusion de Pauli et plus s'approcher?

De plus, la force forte, de ce que j'ai lu, ne peut pas se propager bien loin parce que les gluons interagissent entre eux. Donc si on se rapproche plus de la charge parce qu'on a plus d'energie, ne devrait-on pas ressentir une force plus forte? Ce qui contredirait le fait que la force forte diminue avec le niveau d'energie.

C'est simple comme bonjour!!