Dirac et l'antimatière

[andretou]

Bonjour à tous

Voici un extrait de l'article Wikipedia sur l'antimatière : https://fr.wikipedia.org/wiki/Antima...A8re#Principes
L'antimatière a été imaginée quand Paul Dirac a écrit l'équation portant son nom en 19281, et remarqué qu'elle s'appliquait encore pour des particules de charge opposée. Il en déduit que pour chaque particule, il existe une antiparticule correspondante, ayant les mêmes caractéristiques, mais de charge opposée.

A votre avis, Dirac pouvait-il prévoir que le contact entre matière et antimatière produit l'annihilation des masses ?
En d'autres termes, cette propriété d'annihilation de masse peut-elle se déduire de son équation, ou a-t-elle été découverte ultérieurement, lors d'expériences ?

Merci d'avance pour vos réponses
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[jacquolintégrateur]

Bonjour
Tu peux consulter: The Principles of Quantum Mechanics. P.A.M.Dirac. Clarendon Press.Oxford 4eme eddition. Page 273- 73- Theory of the positron. Dirac y explique la theorie de la "mer des états d'énergie négative" normalement intégralement occupés. Un trou occasionnel se manifeste par une charge positive. Il écrit :it will still be possible, however, for such an electron, to drop into an unoccupied state of negative energy. In this case, we should have an electron and positron disappearing simultaneously. Their energy being emitted in the form of radiation.
Cordialement

[andretou]

Merci Jacquolintégrateur !

[andretou]

Il écrit :it will still be possible, however, for such an electron, to drop into an unoccupied state of negative energy.

Je me demande cependant ce que signifie le terme "énergie négative".
Comment en effet produire de l'énergie négative ?
Pourquoi Dirac a-t-il employé ce terme ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Je me demande cependant ce que signifie le terme "énergie négative".
Comment en effet produire de l'énergie négative ?
Pourquoi Dirac a-t-il employé ce terme ?

Là ça devient un peu plus compliqué.

L'équation de Dirac (mais aussi celle de Klein-Gordon) autorise des états d'énergie négative. Ca vient d'ailleurs du fait que l'équation est relativiste. Ca vient de :

(les équations sont la traduction "opérateurs" de cette relation !!!! Et d'ailleurs Schrödinger aussi mais avec la forme classique E = p²/2m )

Et dans cette relation E peut être aussi bien positif que négatif. En physique classique, c'est pas grave, suffit d'ignorer les solutions E < 0.
Mais en mécanique quantique.... les états d'énergie négative peuvent être couplés aux états d'énergie positive (en sautant par le gamma 2mc²)
Ce qui rend les atomes instables (une infinité d'états d'énergie aussi négative qu'on veut !!!!!)
On a aussi manifestation de ces états quand on essaie de confiner une particule dans une région inférieure à la longueur d'onde de Compton.

C'est d'ailleurs ça qui a fait que Dirac a cherché une autre équation que KG. Et ce qui est amusant c'est qu'elle avait... le même problème
(mais est meilleure pour les électrons car elle décrit des particules de spin 1/2, crucial dans le régime relativiste).

Une analyse plus fine du problème (le fameux gap de 2mc²) montre que ces soucis viennent du fait que dans ce régime on devrait forcément avoir une théorie multi-particules.

D'où la théorie des "trous" de Dirac mais qui ne marche que pour des fermions (et les bosons ça existe, décrit justement par l'équation KG).

En théorie quantique des champs, ces états, après application de la symétrie CPT, deviennent des états d'énergie positive avec les charges inversées : l'antimatière.

[ThM55]

Mais vous ne répondez pas à la question:

"A votre avis, Dirac pouvait-il prévoir que le contact entre matière et antimatière produit l'annihilation des masses ?
En d'autres termes, cette propriété d'annihilation de masse peut-elle se déduire de son équation, ou a-t-elle été découverte ultérieurement, lors d'expériences ?
"

La réponse est OUI et OUI. C'était prédit par son équation dès 1928. Dirac avait résolu le problème de l'énergie négative mentionné par Deedee en supposant que l'infinité de niveaux d'énergie négative sont occupés par des électrons. C'était sa définition de l'état de vide. Les trous dans ce vide sont produits quand un des électrons absorbent de l'énergie et monte dans un état d'énergie positive. Dirac avait montré que ce trou était de charge positive et aussi que l'électron et le trou pouvaient s'annihiler en entrant en contact (l'électron "retombe" dans le trou et émet des photons gamma). Il a alors commis une erreur: il a supposé que ce trou était le proton, la seule particule chargée positivement connue en 1928. C'est Oppenheimer qui a montré que ce trou devait avoir la même masse que l'électron et donc ne pouvait être le proton. Assez vite le positron a été détecté dans des rayons cosmiques. Le positron est maintenant devenu un outil banal dans les scanners PET, cela n'a plus rien d'extraordinaire.

La théorie des trous de Dirac est maintenant supplantée par une théorie dans laquelle le positron est naturellement présent du fait des symétries générales. Le vide quantique avec une infinité d'électrons partout n'est plus nécessaire (mais les problèmes conceptuels que cela suscite sont toujours présents, c'est une autre histoire).

[ThM55]

Oups. Désolé, je n'avais pas bien réfléchi à la réponse de jacquolintégrateur. La citation de Dirac répond en effet à la question.

[zebular]

"(l'électron "retombe" dans le trou et émet des photons gamma)"
Cela signifie t-il que le photon gama est le plus energétique de tous ou bien existe t'il des energies théoriquement parlant "au-delà"?

[andretou]

Mais en mécanique quantique.... les états d'énergie négative peuvent être couplés aux états d'énergie positive (en sautant par le gamma 2mc²)

Merci pour tes explications !
Mais je n'arrive pas à comprendre le concept de couplage d'états d'énergies.
Est-ce en lien avec le principe de la superposition d'états ?

[Deedee81]

Salut,

Cela signifie t-il que le photon gama est le plus energétique de tous ou bien existe t'il des energies théoriquement parlant "au-delà"?

Question de noms donnés par les humains aux différentes régions du spectre électromagnétique. La distinction se faisant essentiellement sur des bases physiques (surtout l'émission des rayonnement). Et on a appelé "gamma" ceux de la radioactivité, les plus énergétiques, sans fixer de borne supérieure.

Il en existe de fabuleusement énergétique :
https://www.futura-sciences.com/scie...gistres-76784/

Mais je n'arrive pas à comprendre le concept de couplage d'états d'énergies.
Est-ce en lien avec le principe de la superposition d'états ?

Non, c'est plutôt une question d'interaction. Prenons un exemple que tu dois mieux saisir :
Soit un électron autour de l'atome d'hydrogène, il peut être dans l'état de base ou dans un état excité.
Mais l'électron est couplé au champ électromagnétique à cause de sa charge électrique, il peut donc passer d'un état à l'autre grâce à cette interaction. Sans les photons, tous les états électroniques seraient stables !!!!!

Autre chose joue, c'est le caractère "discret" des sauts. Pour passer d'un niveau excité à l'autre, il faut un échange d'énergie minimum.
Et plus cette énergie est grande, plus les changements sont difficiles (bon, y a des exceptions et d'autres choses qui jouent, mais disons, grossièrement).
En général les sauts se font en passant par les états intermédiaires s'ils existent.

En physique classique, tous les échanges sont continues (les discontinuités comme les chocs sont des idéalisations). Si en physique quantique de tels sauts peuvent se faire, c'est tout à fait analogue à l'effet tunnel : passage d'une zone autorisée à une autre en passant par une zone interdite.

Le gap entre les états positifs et négatifs est 2mc², écart important, donc les électrons ne font pas le saut facilement.... mais ils peuvent le faire, et ça c'est ennuyant (voir ce qui était dit plus haut, ça rend les atomes instables.... et on sait bien qu'ils ne sont pas instables.... heureusement pour nous )

[zebular]

Merci deedee,je n'avais jamais remarqué qu'il n'y avait pas de bornes superieures aux gammas

[Sonia67]

Bonsoir
Cela a été découvert par le billet d'expériences dans mes grand collisionneur. En 1934 c'est Frédérique juliot Curie qui découvre le positron (l'antiparticule de l'électron) pour la première fois

[ThM55]

Bonsoir
Cela a été découvert par le billet d'expériences dans mes grand collisionneur. En 1934 c'est Frédérique juliot Curie qui découvre le positron (l'antiparticule de l'électron) pour la première fois

Ce n'est pas exact. C'est d'abord une découverte purement théorique, de Dirac et Oppenheimer. Et ce n'est pas Joliot qui a découvert le positron le premier mais Anderson qui l'identifie dans les rayons cosmiques en 1932. Ce que Joliot a fait, c'est la première observation d'une annihilation électron-positron, qu'un autre physicien, appelé Jean Thibaud (un collaborateur de Maurice de Broglie), a réalisée au même moment. De plus ce n'était pas dans un "grand collisionneur" mais dans de modestes cyclotrons.

Il y a eu une certaine dispute d'antériorité entre ces deux physiciens mais après tout ce temps on peut faire abstraction de leurs antagonismes personnels et politiques et on peut admettre que leurs observations ont été simultanées.

[Deedee81]

Salut,

leurs observations ont été simultanées.

On ne compte plus le nombre de fois où c'est arrivé (que ce soit en théorie ou en expérimentation ou en observation, et pas qu'en physique), ce serait amusant d'en faire une étude.

Je ne sais plus qui a dit (je paraphrase) :
"lorsque la théorie ou les technologies sont suffisamment mures, les découvertes viennent facilement, ce qui conduit à des coïncidences parfois surprenantes"

[ThM55]

Oui mais dans ce cas il semble, selon certaines sources que j'ai lues, qu'il y ait eu une très vilaine querelle d'antériorité. Ce que je voulais dire c'est que ceci est sans intérêt scientifique, on ne doit retenir que les résultats.

[Deedee81]

Salut,

Oui mais dans ce cas il semble, selon certaines sources que j'ai lues, qu'il y ait eu une très vilaine querelle d'antériorité. Ce que je voulais dire c'est que ceci est sans intérêt scientifique, on ne doit retenir que les résultats.

Oui, j'avais compris Les querelles d'antériorités sont fréquentes (et même pas toujours du fait des auteurs eux-mêmes) et je suis d'accord que ma foi ce qui compte c'est la science et pas savoir si c'est Tartempion ou Jules de chez Smith en face qui a découvert tel ou tel résultat. J'aime encore bien l'histoire des sciences mais je ne vais pas confondre avec ce qui est important

[Sonia67]

Merci pour la modification ,oui effectivement une découverte quasi simultanée quand tu parle de dispute cela me fait penser à niels Bohr et Einstein qui se sont tenu tête durant une période aussi mais il sont resté de grand amis après tout

[oualos]

Hugo de Vries, botaniste néerlandais redécouvre les lois de l'hérédité en 1900, bien après Mendel mort inconnu.
Ses recherches -et son honnêteté- l'amèneront à attribuer la paternité des lois de l'hérédité à Mendel qui les découvrit en premier en croisant... des petits pois hé oui!
Sa biographie est intéressante: il fallait un prêtre dans la famille morave et catholique de Mendel et c'est lui qui s'y est collé, bien que sa vocation soit clairement au départ nettement scientifique.
En 1854, à la demande de l'évêque - qui tente par ailleurs une reprise en main de l'abbé -, Mendel doit cesser l'étude de l'hybridation chez les souris : il menait en effet un élevage dans sa propre chambre
en fait passionné de sciences et de gastronomie, il cherchait de nouvelles variétés de petits pois quand cela a réveillé son instinct de chercheur et c'est comme ça qu'il a découvert le premier les lois de l'hérédité.
Bon c'est ce qu'on raconte en tout cas

[Deedee81]

Salut,

Merci pour la modification ,oui effectivement une découverte quasi simultanée quand tu parle de dispute cela me fait penser à niels Bohr et Einstein qui se sont tenu tête durant une période aussi mais il sont resté de grand amis après tout

En effet bien que là ce n'était pas une querelle d'antériorité. Plutôt une différence de point de vue philosophique : l'ultrapositiviste face à un réaliste.
(notons que le réalisme est souvent dominant, si ce n'est dans la pratique du métier qui est plutôt positiviste, au moins dans les opinions. Mais ça a fortement évolué et le réalisme d'Einstein est parfois qualifié un peu péjorativement de "réalisme naïf" mais il est de bien entendu qu'historiquement, les implications, fondements et sens profonds de la mécanique quantique furent long et difficile à décrypter et là aussi ça a fortement évolué depuis Bohr et Einstein. Il est bien normal que certaines erreurs et incompréhensions aient jalonné cette histoire).

Les querelles au sens large, ça arrive. Les scientifiques étant avant tout des humains. Il y a une trentaine d'années, il y avait eut un séminaire de cosmologistes. Une dispute (sur le sujet) a éclaté et a fini.... en pugilat ! C'est rare de voir des scientifiques en venir aux mains.

Bon c'est ce qu'on raconte en tout cas

Au moins jusqu'aux petits pois je confirme (les souris je savais pas mais wikipedia confirme). Notons que Mendel a commis une erreur : publier en Hongrois dans une revue de.... météorologie !!!! (où il avait déjà publié, c'était un sujet qui le passionnait). Pas étonnant qu'il n'ait pas été lu et qu'il ait fallu du temps pour qu'on redécouvre ses travaux.

Les reconnaissances ça existe, et c'est bien. Le cas de Darwin est éloquent. Il a longuement travaillé à ses travaux. Voulant accumuler un maximum de données d'observation et de preuves pour faire face aux oppositions qu'il savait devoir rencontrer. Notons que ce n'est pas tant l'idée d'évolution qui était "hérétique", il n'était pas le premier (voir Lamarck par exemple) mais plutôt l'idée de hasard et de sélection naturelle. Mais à un moment donné il reçut une lettre de Wallace, alors peu connu et qui lui demandait son avis sur une théorie sur l'évolution : la même que Darwin !!!!! Bien que beaucoup moins élaborée. Darwin se décida alors à publier et à faire une annonce à l'académie royale .... où il cita les travaux de Wallace. Belle preuve d’honnêteté.

Et de plus les querelles ne sont pas toujours le fait des découvreurs. Ainsi, on sait que Newton et Leibniz ont découvert tous les deux le calcul infinitésimal. Mais ils ne se sont guère offusqué de cela. C'est surtout une querelle de leurs disciples qui a eut lieu, tant pour des raisons de paternité (de leur "idole") que de nationalisme (France v.s. Angleterre). De même les querelles ou plutôt polémiques sur la paternité de la relativité ne fut pas du tout le fait d'Einstein ou de Poincaré (ce dernier reconnut d'ailleurs publiquement le bel exploit théorique d'Einstein) mais plutôt de disciples parfois un peu en mal de nationalisme.

Tout ceci aussi est bien humain. Et ma foi, aussi passionnant que ce soit pour l'histoire des sciences, après tout, en tant que scientifique ce qui est le plus intéressant c'est les théories (modernes) et les expériences (les plus récentes possibles). Et d'ailleurs elles ont fortement évolués tant sur le fond que sur la forme, les fondements, les interprétations. Toutes : aussi bien la mécanique quantique que la relativité restreinte ou générale ou la théorie de l'évolution. Même l'électromagnétisme de Maxwell devrait plutôt être appelé EM de Maxwell-Heaviside tant ce dernier a amélioré et remanié les équations (telles qu'elles sont enseignées aujourd'hui).