Comment s'attirent les Protons et electrons ?

[invitef0ae73b0]

Grace a leur charges électriques et malgré le vide, il se rapproche l'un vers l'autre.

Comment cette charge Electrique se manifeste elle par ce "lien invisible" qui leur permet au proton et a l'electron de se rapprocher.
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[invitecff14d85]

Je ne vois pas trop ce que tu veux dire par "se rapprochent l'un de l'autre", mais la charge électrique n'a pas besoin de "connexion matérielle" pour se faire resentir en un point, tout comme les ondes électriques se propagent dans le vide (penser aux communications satellites).

[Deedee81]

Salut,

En complément.

Tout dépend du contexte théorique utilisé pour décrire le phénomène.

- En physique classique, le lien n'est rien d'autre que le champ électrique "émit" par les charges électriques et emplissant tout l'espace (avec une diminution de l'intensité en 1/r²)
- En théorie quantique des champs, ce sont des photons qui sont échangés (dit virtuels, mais ça ce n'est pas crucial)

Notons que la lumière ce n'est rien d'autre qu'un champ électrique+magnétique variable (oscillant et progressant).
Et que la description quantique de la lumière c'est.... des photons !

Tout se tient.

[Sethy]

Je me permets de rebondir sur ton poste Deedee. J'ai quelques notions de QED (intégrales de chemin, diagramme de Feynman, ce qu'est une particule virtuelle).

Par contre, la où j'ai plus de mal, c'est de comprendre comment ces interactions par photons virtuels vont créer une trajectoire qui "colle" à la trajectoire classique. Je prends l'exemple d'une interaction entre deux particules chargées. J'avais demandé à mon prof, quel était le nombre d'interactions et celui-ci avait l'air de dire que ce nombre était assez faible. Il y a probablement quelque chose qui m'échappe.

[A voir en vidéo sur Futura]

[moco]

J'ai aussi l'impression que personne ne peut expliquer l'origine ultime de l'attraction entre les charges plus et les moins. Bien sûr qu'on dit que cela se passe par l'échange de photons virtuels. Mais cette "explication" me semble une manière comme une autre de dissimuler son ignorance derrière un écran protectif de vocabulaire. Comment fait la charge émettrice pour savoir dans quelle direction lancer son photon virtuel qui devra être capté par la charge de signe contraire, à quelque distance que ce soit. Et comment se fait cette émission ?
C'est le même mystère qui entoure le phénomène de la gravitation. Comment fait le caillou que je tiens en main pour savoir qu'il doit se diriger vers le centre de la Terre dès que je l'aurai lâché ? Le déroulement du phénomène de chute est bien connu. Mais la raison profonde reste encore un mystère. Dire que la Terre "émet un champ de gravitation" est très beau pour l'esprit. Mais c'est aussi une manière élégante de cacher son ignorance.

[Sethy]

Pour la gravitation, c'est vrai que la notion de champ est peut être plus difficile, par contre, si on se replace dans le contexte de la relativité générale, je trouve que l'explication est séduisante.

L'idée qu'il existe une courbure de l'espace-temps et qu'un corps suit naturellement les géodésiques (sortes de "tire-fesse" gravitationnel) à moins d'être arrêté est assez prolifique.

Je ne peux que conseiller de visionner la série de cours que je trouve très bien fait sur le sujet : https://www.youtube.com/watch?v=zrX0rT_qmxE

C'est du pas à pas. Les exercices peuvent être refaits à l'envi.

[moco]

Mais oui. L'idée est assez séduisante. Je connais fort bien l'interprétation de courbure de l'espace-temps. Cela n'explique rien. Il n'en reste pas moins que l'explication finale manque. Le corps attiré va bien sûr suivre les géodésiques dont tu parles. Mais comment se fait-il que chaque particule massique émette un champ gravitationnel qui remplit tout l'espace et s'étend jusqu'aux extrémités des galaxies, et que ce champ fournit de l'énergie à l'ensemble de l'univers de manière à l'attirer vers elle ? Pourquoi cette attraction, et pas une répulsion ? Les charges de même signe se repoussent, et pas les objets de même masse.
Pourquoi les charges de même signe se repoussent, et pourquoi les charges plus attirent les moins ? Mystère !

[Deedee81]

Salut,

Par contre, la où j'ai plus de mal, c'est de comprendre comment ces interactions par photons virtuels vont créer une trajectoire qui "colle" à la trajectoire classique. Je prends l'exemple d'une interaction entre deux particules chargées. J'avais demandé à mon prof, quel était le nombre d'interactions et celui-ci avait l'air de dire que ce nombre était assez faible. Il y a probablement quelque chose qui m'échappe.

Je ne comprend pas trop le "nombre d'interactions" car la question en soit n'est guère sensée. En effet, l'état réel des deux charges est une superposition quantique d'états avec échanges de 1 photon virtuel, 2, 3, 4... jusque l'infini.

Quand à décrire la trajectoire classique à partir de la QED, ça n'a rien de facile car il faut pour cela retrouver la physique classique à partir de la théorie quantique des champs. Le plus simple est :

- Dresser les diagrammes de Feynman décrivant l'échange de photons virtuels entre les deux charges
- Calculer ces diagrammes, et éventuellement renormaliser si on prend des diagrammes avec boucles
- Calculer l'énergie totale et sa variation en fonction de la distance
- La dérivée de l'énergie selon la distance n'est autre que la force d'attraction.... qui permet alors de calculer les trajectoires

Notons que cela n'est jamais que retrouver la loi e Coulomb à partir de la QED. J'ai lu le détail des calculs mais je ne sais plus si c'était dans le livre de Landau sur la QED ou dans le livre de Nelipa sur la physique des particules.

Il n'en reste pas moins que l'explication finale manque.

Ce n'est pas le rôle de la physique. La physique ne donne jamais d'explication finale. Elle donne une description de ce qui se passe, description faite avec un certain degré d'approximation (en fonction des connaissances, des appareils de mesure et du cadre théorique utilisé) et formalisant cette description de manière quantitative et rigoureuse avec des maths. La physique est la science de la description, pas de la recherche des causes ultimes qui sont le but d'autres disciplines (philosophie, métaphysique et théologie).

Ceci dit, on peut quand même trouver des explications parfois très profondes. Pour prendre un exemple (pas la gravité pour laquelle on n'a pas encore de théorie quantique, alors je préfère éviter) il est possible d'expliquer pourquoi les photons existent !!!! Je vais donner l'explication dans les grandes lignes car c'est assez complexe et pas toujours évident à vulgariser.

- Toutes les interactions obéissent à certaines symétries et lois de conservation (les deux sont liés d'ailleurs, à travers le théorème de Noether). Par exemple, les équations décrivant le mouvement des corps sont invariantes par translation dans le temps (en remplaçant t par t+T). Cela se traduit par la conservation de l'énergie.
- Lorsque l'on décrit les particules, on peut les décrire avec des champs (en fait, c'est inévitable, une conséquence du théorème de Malament) et ce champ peut prendre des valeurs réelles ou complexes en chaque point. Par exemple, les pions neutres sont décrits par un champ réel et les électrons par un champ complexe (là, on ne sait pas pourquoi, c'est comme ça).
- Lorsque le champ est complexe, on a une symétrie par "changement de phase" dite symétrie U(1) (équivalent au décalage de phase des ondes classiques)
- A cette symétrie correspond la conservation de la charge électrique.
- Mais cette symétrie est globale : elle n'est respectée que si on fait ce changement de phase dans tout l'espace-temps, partout
- Hors la physique est relativiste. Et la relativité nous enseigne que la physique est locale. Tout doit pouvoir se décrire localement (dans un voisinage infinitésimal d'un point) et par propagation de proche en proche (à maximum la vitesse de la lumière)
- On peut alors chercher à voir ce qu'il faut changer dans les équations pour qu'elles soient invariantes lors d'un changement local de la phase.
- On constate qu'il n'y a qu'une manière de faire : par ajout d'un champ (dit de jauge) avec les propriétés appropriées de transformation et d'un terme d'interaction entre ce champ de jauge et le champ de matière

Si on fait ça avec l'électron, on constate que le champ ajouté est exactement celui du.... photon !!!!

Lorsque j'ai vu ces équations se dérouler devant mes yeux (il y a longtemps, dans Quantum Field Theory de Itzykson et Zuber) j'ai eut des étoiles dans les yeux. On a l'impression de toucher un des secrets de l'univers.

[Sethy]

C'est vrai que ça à l'air vertigineux. J'imagine que ce n'est pas un hasard qu'on retrouve le boson médiateur (le photon) de l'interaction électromagnétique.

Si on refait les calculs avec d'autres fermions, soumis à d'autres types de forces, retrouve-t-on aussi le champ du boson médiateur de ces interactions ?

[Deedee81]

Salut,

C'est vrai que ça à l'air vertigineux. J'imagine que ce n'est pas un hasard qu'on retrouve le boson médiateur (le photon) de l'interaction électromagnétique.
Si on refait les calculs avec d'autres fermions, soumis à d'autres types de forces, retrouve-t-on aussi le champ du boson médiateur de ces interactions ?

Oui, c'est tout l'objet des "théories des champs de jauge locale". Avec l'interaction électofaible U(1) + SU(2) on trouve le photon (évidemment) et les bosons intermédiaires W et Z.
La confirmation des interactions impliquant le Z (dit interactions avec courants neutre) a été en son temps une confirmation éclatante de la théorie électrofaible.
Et avec la chromodynamique SU(2) on trouve les gluons.

A noter que ça marche aussi avec la gravité !!!! Si on considère la symétrie P(4) (= groupe de Poincaré des symétries de l'espace-temps en relativité restreinte), le boson de jauge correspondant est le graviton. Et la théorie obtenue est équivalente (à l'ordre 0 boucle) à la relativité générale linéarisée (petites perturbations autour d'une métrique imposée). C'est après que cela se complique (la théorie n'est pas renormalisable).

[Deedee81]

Oui, c'est tout l'objet des "théories des champs de jauge locale". Avec l'interaction électofaible U(1) + SU(2) on trouve le photon (évidemment) et les bosons intermédiaires W et Z.

Et pour la petite histoire, c'est là qu'est intervenu le Higgs.
L'interaction faible est à très courte portée, ce qui implique que les bosons de jauge devraient être massifs.
Or la théorie donne des bosons de jauge sans masse. Et si on ajoute arbitrairement des termes de masse, ça ne marche pas (théorie non renormalisable).
Et c'est là que Higgs, Broutt, Englert etc... ont montré qu'en présence d'un champ scalaire (champ de Higgs) il pouvait y avoir une brisure spontanée de la symétrie (ceci étant dû au fait que le vide initial n'est pas l'état d'énergie la plus basse) qui après quelques opérations donnait une masse au bosons W et Z. Des termes supplémentaires pas du tout intuitif rendent la théorie renormalisable.
Il était alors naturel et très élégant d'utiliser le même mécanisme pour la masse de toutes les autres particules.

Tout ça est fascinant tellement c'est élégant. Et il est dommage que cela ne se prolonge pas aussi facilement. Par exemple, l'unification électrofaible est extraordinairement élégante. Mais ajouter SU(3) pour unifier l'interaction forte.... ne marche pas. Et ce n'est pas faute d'avoir essayé plein de groupes de symétrie. Y a quelque chose qui coince. De même, la supersymétrie est d'une élégance folle et pourtant... ça commence à sentir le brûlé suite aux résultats du LHC (le modèle SUSY, le plus simple, est invalidé).

Vivement le prochain génie qui nous dira : "et les gars, vous avez laisser échapper ça ? Regardez, si on fait ça et ça, boum, tous les problèmes tombent"

[Sethy]

Je manque de math, et ça me fait rager ! Je devrais aller suivre l'ensemble du programme de math des bacheliers en physique !

[Deedee81]

Je manque de math, et ça me fait rager ! Je devrais aller suivre l'ensemble du programme de math des bacheliers en physique !

J'ai eut une formation en tant qu'ingénieur civil. Mais quand j'ai continuer à potasser la physique par moi-même, j'ai dû aussi approfondir mes connaissances en math. Ca peut se faire par soi-même (ce que j'ai fait, avec la géométrie différentielle par exemple). Mais suivre un cursus prévu pour c'est en effet préférable. Ca permet de gagner beaucoup de temps

[Sethy]

J'ai eut une formation en tant qu'ingénieur civil. Mais quand j'ai continuer à potasser la physique par moi-même, j'ai dû aussi approfondir mes connaissances en math. Ca peut se faire par soi-même (ce que j'ai fait, avec la géométrie différentielle par exemple). Mais suivre un cursus prévu pour c'est en effet préférable. Ca permet de gagner beaucoup de temps

Henri, Volt, Ampère ?
Subito Crash ?

[Deedee81]

Salut,

Henri, Volt, Ampère ?
Subito Crash ?

Excuse-moi, je vais peut-être avoir l'air très lourdaux, mais je n'ai pas compris la question ou.... la plaisanterie. Tu peux expliquer ?

[Sethy]

C'est le chant du cercle polytech de l'ULB

[Deedee81]

Salut,

Ah ! Oh ! Pfffff..... Je suis Polytech Mons. Les seuls valables.

Non, je rigole
(mais je suis vraiment Polytech Mons)