Causalité en electromagnétisme
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Causalité en electromagnétisme



  1. #1
    dada17xs

    Cool Causalité en electromagnétisme


    ------

    Bonjour,

    j'ai lu un article sur wikipédia :
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Causali...agn.C3.A9tisme
    Le lien pointe directement sur la partie qui m'intéresse : "En electromagnétisme"

    Je cite :
    La théorie de l'électromagnétisme permet de mettre en lumière un certain nombre de situations où le principe de causalité joue un rôle crucial. Toute particule possédant une charge électrique génère un champ électrique dans l'espace. Si cette particule est animée d'un mouvement alors elle génère également un champ magnétique. Par ailleurs, la particule étant chargée, elle interagit avec tout champ électrique et tout champ magnétique. Les calculs indiquent qu'une particule chargée est, en réalité, susceptible d'interagir aussi avec son propre champ. Il existe donc une force s'exerçant sur une particule en mouvement créée par la particule elle-même. Cette force est appelée force d'Abraham-Lorentz. Elle donne lieu à divers effets et notamment le phénomène de pré-accélération d'une charge électrique : si l'on applique une force sur une particule chargée à un instant T0, alors la force d'Abraham-Lorenz implique que la charge électrique commencera à se mettre en mouvement aux alentours de l'instant T0 - TAU, où la quantité TAU est définie par :

    5657db1df1fef65010f4706ef5ed22ec.png
    \tau = \frac{2}{3} \frac{q^2}{4 \pi \epsilon_0}\frac{1}{m c^3},

    où q représente la charge électrique de la particule, m sa masse, c la vitesse de la lumière et ε0 la permittivité du vide. Ce temps caractéristique est extrêmement court : pour un électron il est de l'ordre de 6×10-24 seconde. Cette violation apparente de la causalité est, en réalité, le signe de l'existence des limites des capacités de l'électromagnétisme classique à décrire l'infiniment petit : sur des échelles de temps de l'ordre de \tau et sur des échelles de distances de l'ordre de c \tau (soit 2×10-15 mètre pour un électron), l'électromagnétisme est inapte à décrire intégralement les phénomènes microscopiques. Cette situation n'est cependant pas problématique en physique car en deçà d'une certaine échelle appelée longueur d'onde de Compton d'une particule, l'on sait qu'il est indispensable de faire appel à la mécanique quantique pour décrire le comportement et la structure des particules élémentaires. En l'occurrence, on montre aisément que la longueur d'onde Compton est toujours plus grande que la quantité c \tau pour une particule. Pour un électron, le rapport entre les deux est égal à 3 / 2 α, où α est la constante de structure fine2.
    Là, il y a un truc que je ne comprends pas !
    Cela signifie que la particule chargée, possédant un champs électrique commence à se déplacer avant que l'on lui applique la force ?

    De plus, c'est non pas fonction de la distance de la force, mais du temps avant que la force soit appliquée à la particule.

    La question que je me pose comme un enfant est : Comment la particule sait qu'une force va s'appliquer sur elle et qu'elle commence donc sa pré-accélération à T0-TAU ?

    -----
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    Dernière modification par dada17xs ; 29/08/2013 à 22h38.

  2. #2
    mike.p

    Re : Causalité en electromagnétisme

    Bonsoir,

    Tout d'abord, il s'agit d'un effet théorique prédit par la théorie électro-magnétique et non de l'interprétation d'une expérience.

    La suite de l'article vous donne la réponse : les limites de la théorie de Maxwell.
    La mécanique quantique décrit le phénomène sans violation de causalité.

  3. #3
    albanxiii
    Modérateur

    Re : Causalité en electromagnétisme

    Bonjour,

    Pour plus de détails (vraiment beaucoup plus....) on peut se reporter au livre de Fritz Rohrlich Classical charged particles (la dernière édition est toute récente, 2007).

    Et ce problème de l'équation de Lorentz-Dirac ne concerne que l'électrodynamique classique (pas quantique).

    ajout : pour se faire la main, on peut regarder ce problème corrigé http://www.imnc.univ-paris7.fr/alain.../TCC96.Ex2.pdf qui commence p.2 à "Effondrement de l'atome d'hydrogène classique".

    @+
    Dernière modification par albanxiii ; 30/08/2013 à 10h58.
    Not only is it not right, it's not even wrong!

  4. #4
    Deedee81
    Modérateur

    Re : Causalité en electromagnétisme

    Bonjour,

    Pour ce qui est de l'aspect "limite", il y a un petit passage dans le Quantul Field Theory de Itzykson et Zuber où ils montre que les effets acausals sont limités à des phénomènes se produisant sur des distances largement inférieures à la longueur d'onde de Compton. Ils sont donc "cachés" (si on peut dire) par les effets quantiques.
    "Il ne suffit pas d'être persécuté pour être Galilée, encore faut-il avoir raison." (Gould)

  5. A voir en vidéo sur Futura
  6. #5
    dada17xs

    Re : Causalité en electromagnétisme

    Merci à tous pour vos réponses

    Je viens de regarder un peu le PDF de albanxiii, et p4 "UNE EQUATION INTEGRO-DIFFERENTIELLE DU MOUVEMENT", on peut voir qu'ici, l'exercice parle bien du phénomène duquel nous parlons

    Mais d'après ce que j'ai compris, ce phénomène n'est pas lié à la mécanique quantique, nous l'avions déjà prédit avant la mécanique quantique ?
    Mais si c'est le cas, sachant que nous l'avons prédit que grâce à des calculs, mais sans aucune certitude pratique, pouvons-nous être sur de ce phénomène en réalité ?

  7. #6
    Amanuensis

    Re : Causalité en electromagnétisme

    Citation Envoyé par dada17xs Voir le message
    Mais d'après ce que j'ai compris, ce phénomène n'est pas lié à la mécanique quantique, nous l'avions déjà prédit avant la mécanique quantique ?
    Mais si c'est le cas, sachant que nous l'avons prédit que grâce à des calculs, mais sans aucune certitude pratique, pouvons-nous être sur de ce phénomène en réalité ?
    C'est le contraire... C'est une prédiction a priori erronée de l'électromagnétisme classique. Elle n'a pas été corroborée par des observations, et le modèle plus récent de la physique quantique le contredit.

    La conclusion est simplement que le modèle classique n'est pas valide à des échelles inférieures à la longueur d'onde de Compton (= ne fait pas de prédictions correctes à ces trop petites échelles).

    C'est un principe général: toute théorie physique a un domaine de validité, en dehors duquel on va trouver des "artefacts" propres à la théorie, des "prédictions par le calcul" ne correspondant pas aux observations.

  8. #7
    coussin

    Re : Causalité en electromagnétisme

    La "bête" loi de Coulomb F=qq'/r2 n'est déjà pas causale (interaction instantanée)...

  9. #8
    albanxiii
    Modérateur

    Re : Causalité en electromagnétisme

    Re,

    Oui pour Coulomb, mais en électrodynamique relativiste (ça fait un peu pléonasme, désolé), le champ créé par une particule tien compte de la propagation entre la source et le point d'observation.

    La formule est (unités de Heaviside et ) :



    Avec la trajectoire de la particule chargée qui crée le champ, le point d'observation à l'instant , et .

    La notation signifie qu'on évalue l'expression entre crochet en l'évènement source à l'instant : .

    Les vecteurs unitaires sont notés avec un chapeau : .

    L'évènement source est tel que .

    Avec tout ceci, une charge placée en subit donc la force .

    Je ne détaille pas plus. Pour plus de détails, il y a le cours de théorie classique des champs de Alain Laverne ( http://www.imnc.univ-paris7.fr/alain/ ) où les calculs sont faits, ou alors le cours de physique de Landau, tome 2 (théorie des champs), où beaucoup de calculs sont laissés aux bons soins du lecteur

    @+
    Not only is it not right, it's not even wrong!

  10. #9
    albanxiii
    Modérateur

    Re : Causalité en electromagnétisme

    Re,

    Pour être vraiment complet, il faut dire que le champ magnétique créé par la même charge en mouvement est donné par et que la force subie par une particule test de charge est bien la force de Lorentz . Fâcheux oubli de ma part.

    @+
    Not only is it not right, it's not even wrong!

  11. #10
    chaverondier

    Re : Causalité en electromagnétisme

    En fait, en électromagnétisme, le phénomène qui semble (c'est surtout une question délicate d'interprétation) mettre en difficulté le principe de causalité c'est plutôt le phénomène de réaction de radiation (cf radiation reaction, 1998, James F. Woodward http://physics.fullerton.edu/~jimw/g...eact/index.htm).

    Ce phénomène, ainsi que des considérations relatives à la notion d'inertie (the origin of inertia du même auteur http://physics.fullerton.edu/~jimw/general/inertia/) suggère d'envisager une formulation explicitement time symmetric des lois de la physique. Après tout, tant qu'on ne prend pas en compte la notion anthropocentrique d'entropie, il n'y a (presque) pas moyen de définir un sens privilégié d'écoulement du temps (1).

    Toutefois, à ce jour, il n'y a rien de réellement abouti (ou, en tout cas, qui rencontrerait un large consensus) répondant à cet objectif, cf la théorie time-symmetric de l'absorbeur de Wheeler et Feynman (http://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A...ler_et_Feynman théorie de l'absorbeur abandonnée par Wheeler et Feynman pour cause de déséquilibre émission/absorption dans certains cas) ainsi que l'interprétation transactionnelle de la mécanique quantique par John Cramer tentant de faire renaître la théorie de l'absorbeur de ses cendres http://mist.npl.washington.edu/npl/i...qm/TI_toc.html.

    (1) dit autrement, le principe de causalité implique la notion d'irréversibilité reposant sur la notion d'entropie. L'entropie qui nous intéresse (cf R. Balian "Information in statistical physics" http://arxiv.org/abs/cond-mat/0501322v1) correspond au second principe de la thermodynamique, ou, ce qui revient au même, à l'impossibilité (à ce jour jamais mise en défaut) d'impossibilité d'un démon de Maxwell (cf D. Poulin http://www.physique.usherbrooke.ca/p...gnement/dm.pdf). Cette entropie repose sur la notion d'état macroscopique laissant ainsi entrer dans la physique un intrus dont elle ne parvient plus à se débarrasser depuis Boltzmann : l'observateur (et la mécanique quantique n'a pas arrangé les choses).

  12. #11
    dada17xs

    Re : Causalité en electromagnétisme

    Citation Envoyé par coussin Voir le message
    La "bête" loi de Coulomb F=qq'/r2 n'est déjà pas causale (interaction instantanée)...
    Pour être plus clair, cela signifie que normalement, dans la nature, toutes actions doit répondre à la causalité ? N'y a t'il vraiment aucun cas qui casse la causalité ?

    C'est bizarre, à chaque fois qu'on parle d'électromagnétisme, il y a des relations avec le temps, comme si c'est lui qui s'occupait d'écouler le temps !

  13. #12
    chaverondier

    Re : Causalité en electromagnétisme

    Citation Envoyé par dada17xs Voir le message
    C'est bizarre, à chaque fois qu'on parle d'électromagnétisme, il y a des relations avec le temps, comme si c'est lui qui s'occupait d'écouler le temps !
    Justement non. L'absence (qu'on voudrait objective) d'ondes dites avancées violant la causalité (au seul niveau interprétatif) en se propageant vers le passé n'a rien d'évident puisque l'on dispose d'une formulation time symmetyric (presque) correcte de l'électromagnétisme.

    C'est l'entropie, la grandeur modélisant la myopie de l'observateur macroscopique (à l'origine du second principe de la thermodynamique) qui permet d'enregistrer des souvenirs du passé et pas de souvenirs du futurs. C'est cette limitation d'accès à l'information qui nous empêche aussi, au sein d'un système isolé, de recycler la chaleur produite lors d'évolutions irréversibles en énergie mécanique contrairement à ce que sait le faire un démon de Maxwell.

    La notion de causalité, bien que se moulant assez bien dans l'espace-temps de Minkowski (où l'électromagnétisme trouve parfaitement sa place), a besoin de quelque chose qui, au départ n'appartient ni aux équations de Maxwell, ni à l'invariance de Lorentz : la fuite irréversible d'information dans l'environnement hors de portée de l'observateur macroscopique (et la redondance des informations enregistrées dans l'environnement par décohérence permettant ainsi l'observation d'un univers qui nous apparait classique et régi par un principe de causalité).

    Sans la "grille de lecture de l'observateur macroscopique" (dont émerge la notion de grandeurs macroscopiques classiques et la notion d'état macroscopique) il n'y aurait pas d'écoulement irréversible du temps. Il n'y aurait donc pas de notion de causalité attribuant un sens passé futur et conférant un caractère de lien de cause à effet (orienté exclusivement dans le sens passé-futur) à certaines corrélations entre évènements séparés par un intervalle de type temps.

  14. #13
    stefjm

    Re : Causalité en electromagnétisme

    Bonjour,
    Un truc qui m'échappe sur cette description physique...

    Pour un automaticien, l'équation donnée correspond à un système :

    1) Causal (car degré de dérivée supérieures sur la sortie, par rapport au degré de dérivé sur l'excitation)
    2) instable. (car réponse en exp(+t/tau))

    Autrement dit, si ce phénomène n'est pas observé physiquement, ben c'est que le modèle est foiré quelque part.
    Fermez le ban.

    Je ne vois pas du tout comment échapper à cela.

    Cordialement.
    Moi ignare et moi pas comprendre langage avec «hasard», «réalité» et «existe».

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