Particules "virtuelles"?

[Koranten]

Bonjour,

Le vecteur de l'interaction électromagnétique est le photon. J'ai lu parfois qu'on qualifie les particules vecteurs d'interaction de "virtuelles"

Qu'est-ce que cela signifie, "virtuelle"? Elles sont pas vraiment là, ces particules?

Concernant les champs... J'ai lu récemment dans "Evolution des idées en Physique" de Einstein que le champ étant énergie, il peut-être masse, et soumis à la gravité et donc s'affaisser lentement... J'ai bien compris ou je délire complet? Si j'ai bien compris, qu'elle est la vitesse d'affaissement d'un champ? Infime, je suppose?

Merci!
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[mbochud]

Bonjour,
Elles sont bien là, mais elles n’apparaîtront que si on tape sur cet atome (en le bombardant avec un électron par exemple).

[mbochud]

Si j'ai bien compris, qu'elle est la vitesse d'affaissement d'un champ? Infime, je suppose?

C’est très variable dépendamment du type champ. Par exemple le champ électrique crée par une charge ponctuelle décroît en 1/r². Mais le même champ crée par une grande plaque plane chargée ne diminue pratiquement pas (si la distance est plus petite que la plaque).
D’autres champ (comme le champ fort diminue beaucoup plus rapidement que 1/r².

[Koranten]

Merci.

Pour le champ, je ne parlais pas de la diminution de son intensité en fonction de la distance à la source, ça je connais.

Je parlais du fait qu'un champ étant de l'énergie, il possède une masse, et est donc soumis à la gravité. Et donc qu'il peut s'effondrer. J'ai lu ça dans un bouquin d'Einstein, cité plus haut. Et je trouve ça dingue: un champ électrique soumis à la gravité

Mais j'ai dû mal comprendre.

D'où mon interrogation

[A voir en vidéo sur Futura]

[deep_turtle]

Salut,

Elles sont bien là, mais elles n’apparaîtront que si on tape sur cet atome (en le bombardant avec un électron par exemple).

Heu... c'est un peu lapidaire comme formulation ! . ça signifie plutôt qu'elles ne se matérialisent jamais sous une forme de particule libre, visible directement dans un détecteur.

Dit autrement, c'est un état quantique par lequel un système peut transiter pour aller vers un troisième état, mais le système ne se trouve jamais vraiment dans l'état intermédiaire.

Par exemple, considère un photon qui se propage d'un point à un autre. La physique quantique permet de déterminer la probabilité de mesurer le photon au point B sachant qu'il était au point A plus tôt. Cette probabilité fait intervenir des quantités appelées amplitudes de probabilité éléméntaires, chacune étant associée à un moyen d'aller de A à B : directement, en zig-zag, ou en s'étant « transformé » en paires particule-antiparticule entre-temps puis retransformé en photon, par exemple. Ce sont ces paires qu'on qualifie de virtuelles. Leur existence est indéniable, car elles perturbent la propagation des photons (dans lexemple choisi ici), mais aucun détecteur ne peut mesurer l'apparition de la paire, car elle n'a jamais existé sous la forme de vraie paire.

[Koranten]

Des particules qui sont là mais qui n'existent pas et qu'aucun capteur ne peut détecter: physique quantique, mon amour

[mbochud]

Des particules qui sont là mais qui n'existent pas et qu'aucun capteur ne peut détecter

Tant qu’elles sont virtuelles , elles restent indétectable ; ce qui n’est pas l’équivalent de « qui n'existent pas ».
1) Elles permettent d’expliquer des forces EM, faibles, fortes, qui sans elles serait totalement mystérieuses.

"aucun capteur ne peut détecter"
2) Elles passent de virtuelles à réelles dans les expériences de collision. (fluorescents, accélérateurs de particules )

[Gwyddon]

On peut dire aussi qu'on les détecte indirectement via leurs effets sur les observables physiques (section efficace principalement) - mais c'est très très tiré par les cheveux

[deep_turtle]

Elles passent de virtuelles à réelles dans les expériences de collision.

Je ne comprends pas cette phrase. Lors de collisions des particules réelles sont créées, mais pourquoi dis-tu qu'elles résultent de la transformation d'une particule virtuelle ?

[mbochud]

Lors de collisions, des particules réelles sont créées et des particules qui était virtuelles deviennent réelles et sont détectées (z,w de l’interaction faible, photons de l’interaction EM).

[Gwyddon]

Lors de collisions, des particules réelles sont créées et des particules qui était virtuelles deviennent réelles et sont détectées (z,w de l’interaction faible, photons de l’interaction EM).

Je ne suis pas d'accord avec ce que tu dis.

Le fait que l'on puisse détecter un Z par exemple vient juste du fait qu'il existe un processus de création du Z par collision e+e-, via un Z par exemple - mais tu ne détectes pas le Z intermédiaire qui s'est transformé en un Z réel, tu détectes un Z à la fin qui n'est pas nécessairement le Z d'interaction.

[Karibou Blanc]

Tant qu’elles sont virtuelles , elles restent indétectable ; ce qui n’est pas l’équivalent de « qui n'existent pas ».

On peut dire aussi qu'on les détecte indirectement via leurs effets sur les observables physiques

Elles passent de virtuelles à réelles dans les expériences de collision.

A ce sujet, une précision me semble importante. L'échange de particules dites virtuelles lors d'une interaction est surtout un artefact du développement perturbatif qu'on réalise en théorie quantique des champs. Je m'explique en TQC, il n'y a qu'une seule chose qu'on sait définir précisément et sans trop de problèmes, ce sont des particules libres, électrons, photons, neutrinos... Maintenant lorsqu'on veut calculer des observables physiques en présence d'interaction, on se rend vite compte qu'on en est encore incapable (analytiquement, à la rigueur numériquement mais c'est vraiment loin d'etre une partie de plaisir). L'approche traditionnelle consiste à faire un développement perturbatif en supposant que l'interaction se produit en un point et qu'entre deux interactions les particules sont considérés comme libres. Ces particules libres échangées entre deux points d'intéractions sont ce qu'on appelle les particules virtuelles (accessoirement on intégre ensuite sur toutes les positions possibles et le nombre de ces points. machinerie des diagramme de Feynman etc...), cette approximation est d'autant meilleure que l'intensité des interactions en question est faible. Ces particules sont dites virtuelles car elles sont utilisées comme "béquille" théorique dans le cadre d'un développement perturbatif d'un problème en interactions qu'on se sait pas résoudre. Ainsi il me parait meme difficile de dire qu'elles existent meme si on ne les voit pas directement. Si on savait calculer quels sont les états propres d'excitations de champs en interactions, on aurait certainement pas à faire appel à des particules virtuelles libres. On pourrait certes développer ces états propres en termes de sommes sur des particules libres (ie on pourrait retrouver les développement en diagrammes de Feynman dans une certaine limite) mais cela resterait une simple équivalence formelle approchée.

[Karibou Blanc]

tu détectes un Z à la fin qui n'est pas nécessairement le Z d'interaction.

nuance tout de meme, en gardant en mémoire l'aspect perturbatif, au premier ordre (ordre des arbres) dans le développement, ton Z final provient bien d'un Z intermédiaire qui s'est désexcité en émettant une autre particule (il s'agit simplement d'un vertex à 3 pattes). Néanmoins, je suis d'accord à toi, si l'on prend en compte l'ensemble des corrections aux ordres supérieurs (ou du moins les plus dominantes), le Z final n'a plus rien à voir avec un Z intermédiaire puisqu'il y a dans ce cas interférences entre divers diagrammes contribuant à l'amplitude de probabilité.

[Karibou Blanc]

D’autres champ (comme le champ fort diminue beaucoup plus rapidement que 1/r2.

s'il s'agit dans ce cas de l'interaction forte, il me fait apporter une correction important: l'interaction forte ne diminue pas avec la distance, au contraire la force est constante et l'énergie donc nécessaire pour lui résister croit linéairement avec la distance (au dela d'une certaine longueur caractéristique). La force ne se manifeste pas à longue distance, à cause de ce qu'on appelle le confinement. En gros, en tentant de séparer deux particules de couleurs (deux quarks par exemples), l'énergie à fournir devient d'autant plus grande que la distance augmente, si bien qu'au bout d'un moment, cette énergie devient suffisante pour arracher une paire quark au vide, on se retrouve alors avec deux paires dont la distance entre chaque constituant est quasi nulle.

[Koranten]

Eh ben... Je retiens de ça et notamment de l'intervention du Karibou: ces particules sont dites "virtuelles" parce qu'on ne sait pas vraiment ce qu'il se passe, elles sont juste une modélisation bien pratique, mais on ne sait même pas si elles sont vraiment là? J'ai bon? Il se passe quelque chose que l'on MODELISE avec des particules virtuelles, mais ça n'est qu'un modèle?

C'est quand même fou la physique quantique.

Au final, ces particules, elles existent, ou bien sont-elles juste une vue de l'esprit de quelque chose qu'on n'a pas compris?

Et cette histoire de champ électrique en train de "tomber" à cause de la gravitation comme un nuage de poussière?

[Karibou Blanc]

Eh ben... Je retiens de ça et notamment de l'intervention du Karibou: ces particules sont dites "virtuelles" parce qu'on ne sait pas vraiment ce qu'il se passe, elles sont juste une modélisation bien pratique, mais on ne sait même pas si elles sont vraiment là? J'ai bon? Il se passe quelque chose que l'on MODELISE avec des particules virtuelles, mais ça n'est qu'un modèle?

en gros, oui.

Au final, ces particules, elles existent, ou bien sont-elles juste une vue de l'esprit de quelque chose qu'on n'a pas compris?

Ces particules existent (disons qu'on peut les définir et de les identifier proprement) uniquement lorsqu'elles sont bien séparées les unes des autres, ie lorsqu'elles sont libres. Quand il y a interaction, les particules libres ne sont plus états propres du système, mais on peut s'en servir pour approximer ces états propres en utilisant un développement perturbatif.

[Calvert]

Il se passe quelque chose que l'on MODELISE avec des particules virtuelles, mais ça n'est qu'un modèle?

De manière générale, qu'est-ce qui n'est pas un modèle en physique? Tant que ça semble décrire la réalité de manière satisfaisante, on s'en contente. Quand ça ne marche plus, on améliore.

[Karibou Blanc]

Et cette histoire de champ électrique en train de "tomber" à cause de la gravitation comme un nuage de poussière?

Une champ de gravitation est représenté aujourd'hui (en relativité générale) par une courbure de l'espace-temps. Le champ électromagnétique baignant cet espace-temps sera donc nécessairement affecté par sa courbure. On dit que le champ électromagnétique couple à la gravité. Ce qui permet notamment d'expliquer la déviation de la lumière au passage d'un corps massif, comme le soleil.
Maintenant je ne comprends pas à quoi tu fais allusion dans ta citation de ce bouquin. Pourrais tu préciser, ou meme citer le passage en question ?

[Karibou Blanc]

De manière générale, qu'est-ce qui n'est pas un modèle en physique? Tant que ça semble décrire la réalité de manière satisfaisante, on s'en contente.

oui bien sur. Mais dans le cas des particules virtuelles c'est différent, car il s'agit ici d'une approximation de modèle théorique qui lui-meme est une représentation par définition imparfaite de l'observation. C'est un modèle du modèle en quelque sorte. On sait que la TQC est censé constituer une tres bonne facon de rendre compte des interactions en particules initialement libres, mais on ne sait juste pas résoudre les équations du mouvements. On connait donc a priori la solution, mais on ne peut la calculer. On approxime alors cette dernière en construisant une solution approchée basée sur des particules libres, mais ces dernières ne sont pas réellement la en tant que particules observables.

[invite64c4b5da]

Je trouve cela passionnant ces histoires de particules reelles et virtuelles, vos reflexions sont tres interessantes.
J'ai quelques remarques et questions :
1- les particules sont des objets crees de toute piece dans nos theories et modeles. Parler de l'existence reelle de l'objet particule est plus matiere philosophique que physique. En cela, la difference importante soulignee entre particules reelles (qui existent) et virtuelles (qui sont des artifices de la theorie) ne me semble pas toujours justifiee.
2- les particules virtuelles permettent d'expliquer les forces en theorie des champs perturbative. Quant on dit, la force electromagnetique est mediee par le photon, on parle alors de photon virtuel !
3- on parle souvent des particules reelles comme detectables (je prefere sur couche de masse), mais qui nous dit que le photon venant du soleil et detecte par notre oeil n'est pas tres legerement virtuel ? La detection se fait par d'autre processus physique et jamais directement.
4- dans le cas du processus e+e- -> Z(+X), que se passe t'il s'il l'on met un detecteur suffisament proche pour detecter les Z ? Que va t'on observer pour des collisions a 91 GeV puis a 88 GeV ?

[Koranten]

Je n'ai pas le livre sur moi, désolé. J'essaierai de le retrouver à la rentrée

[Karibou Blanc]

les particules sont des objets crees de toute piece dans nos theories et modeles. Parler de l'existence reelle de l'objet particule est plus matiere philosophique que physique. En cela, la difference importante soulignee entre particules reelles (qui existent) et virtuelles (qui sont des artifices de la theorie) ne me semble pas toujours justifiee.

La différence entre particules reelles (libres donc) et virtuelles (artefact de calcul perturbatif) est de taille surtout lorsque les premieres laissent des traces dans une chambre à bulle !

les particules virtuelles permettent d'expliquer les forces en theorie des champs perturbative. Quant on dit, la force electromagnetique est mediee par le photon, on parle alors de photon virtuel !

oui, c'est exact.

on parle souvent des particules reelles comme detectables (je prefere sur couche de masse), mais qui nous dit que le photon venant du soleil et detecte par notre oeil n'est pas tres legerement virtuel ? La detection se fait par d'autre processus physique et jamais directement.
4- dans le cas du processus e+e- -> Z(+X), que se passe t'il s'il l'on met un detecteur suffisament proche pour detecter les Z ? Que va t'on observer pour des collisions a 91 GeV puis a 88 GeV ?

Une particule est considéré comme réel à partir du moment ou elle a pu voyager suffisament longtemps pour etre suffisament éloigné de la région où a eu lieu l'interaction. Seule une particule sur couche de masse peut réaliser un tel voyage, une particule virtuelle ne peut "durer" suffisament longtemps car elle viole la conservation de l'énergie (et du moment),ie. elle n'est pas sur couche de masse. Donc le photon qui vient du soleil est bien un photon réel.

Une autre facon de comprendre ce qui se passe est de se rappeler qu'on peut définir proprement une particule (libre) uniquement de manière asymptotique loin de toute zone d'intéraction. Lorsque deux zones d'intéractions sont relativement bien séparées dans l'espace et le temps, on peut considérer que la particule qui voyage d'une zone à l'autre est réel, elle correspond à une particule (asymptotiquement libre) sortante pour la première intéraction (dans le soleil) et entrante pour la seconde (dans notre oeil).

[Karibou Blanc]

dans le cas du processus e+e- -> Z(+X), que se passe t'il s'il l'on met un detecteur suffisament proche pour detecter les Z ? Que va t'on observer pour des collisions a 91 GeV puis a 88 GeV ?

le probleme est dans ce cas qu'on n'a pas de détecteur de Z, ce n'est pas seulement un probleme de distance et de durée de vie.

[invite64c4b5da]

Une particule est considéré comme réel à partir du moment ou elle a pu voyager suffisament longtemps pour etre suffisament éloigné de la région où a eu lieu l'interaction. Seule une particule sur couche de masse peut réaliser un tel voyage, une particule virtuelle ne peut "durer" suffisament longtemps car elle viole la conservation de l'énergie (et du moment),ie. elle n'est pas sur couche de masse. Donc le photon qui vient du soleil est bien un photon réel.

je ne suis pas sure de comprendre toute ton argumentation...
Rien n'empeche de trouver un suffisament petit pour que la particule survive jusqu'a nous. En ce cas, la particule n'est pas strictement sur couche de masse. La transition virtuelle/reelle est donc floue dans ce cas.

Une autre facon de comprendre ce qui se passe est de se rappeler qu'on peut définir proprement une particule (libre) uniquement de manière asymptotique loin de toute zone d'intéraction. Lorsque deux zones d'intéractions sont relativement bien séparées dans l'espace et le temps, on peut considérer que la particule qui voyage d'une zone à l'autre est réel, elle correspond à une particule (asymptotiquement libre) sortante pour la première intéraction (dans le soleil) et entrante pour la seconde (dans notre oeil).

En ce cas, la particule sur couche de masse (reelle) ne serait qu'une approximation afin de pouvoir calculer notre section efficace (ou tout autre parametre) sans faire intervenir les etapes ulterieures a l'interaction initiale c-a-d la detection de la particule par exemple ?

[mbochud]

Merci Gwyddon et Karibou Blanc pour vos précisions,

Petite question un peu en retard.
Quand je parlais de « champ fort diminue beaucoup plus rapidement que 1/r² » je pensais à la force entre nucléons et non pas à la force de couleur.
Dans le contexte de la physique du noyau (et non pas de la particule) comment nommer ce que l’on appelait autrefois force forte ? (force forte résiduelle ou quoi d’autre).

[Koranten]

C'est vraiment un truc de fou la quantique. Y comprendra t-on quelque chose un jour? Je veux dire: de manière claire... mais bon, on touche au Graal de la Physique, là

[Karibou Blanc]

Rien n'empeche de trouver un suffisament petit pour que la particule survive jusqu'a nous. En ce cas, la particule n'est pas strictement sur couche de masse. La transition virtuelle/reelle est donc floue dans ce cas.

effectivement rien ne l'empeche. Mais dans ce cas les particules virtuelles hors couche de masse devraient contribuer tres négligeablement à la section efficace.

Dans le contexte de la physique du noyau (et non pas de la particule) comment nommer ce que l’on appelait autrefois force forte ? (force forte résiduelle ou quoi d’autre).

ok je comprends mieux ce que tu veux dire. Tu parles de la force résiduelle médiée par les pions apres la brisure de la symétrie chirale à basse énergie (ie distance plus grande que la taille des nucléons). Je ne sais pas si ca a un nom particulier mais force forte résiduelle ca me semble correcte. Par contre il faut préciser que cette force effective est médié par des pions (et non des gluons) et que les particules chargées sous cette interaction sont les baryons et les mésons (et non les quarks). Cette force décroit tres vite avec la distance car les pions sont relativement lourds.

Y comprendra t-on quelque chose un jour? Je veux dire: de manière claire...

On y voit déjà pas mal clair, meme dans l'approche perturbative, bien sur il existe des techniques pour prendre en compte les effets non-perturbatifs dominant, mais la solution exacte des équations du mouvement restant encore inaccessible, nos techniques reste encore tres limitée.

[Gwyddon]

Force nucléaire médiée par les pions ça me semble pas mal non ? Historiquement en tout cas c'est comme ça qu'on l'a appelée après le développement de la QCD et la découverte que c'était les gluons qui médiaient la force forte entre les quarks.

[invite64c4b5da]

Toujours a propos de ce debat virtuel/reel, voici un thread interessant :
http://www.lepp.cornell.edu/spr/2003-05/msg0051023.html

En particulier voici une interpretation interessante finalement assez similaire a celle de Karibou plus haut :
"'Real' real particles are slightly different from 'mathematical' real
particles. Note that whenever we observe a system we make a number of
idealizations that serve to identify the objects in reality with the
mathematical concepts we are using to describe them. Then we calculate
something, and at the end we retranslate it into reality. If our initial
initialization was good enough and our theory is good enough, the final
result will match reality well."

Et voici une autre interpretation de Gordon Kane :
"Virtual particles are indeed real particles. Quantum theory predicts that every particle spends some time as a combination of other particles in all possible ways. These predictions are very well understood and tested."
http://www.sciam.com/askexpert_quest...000&topicID=13
Sa demonstration semble etre plutot, on observe des effets que l'on explique en theorie quantique en faisant intervenir des particules virtuelles donc elles existent.

[Gwyddon]

Et voici une autre interpretation de Gordon Kane :
"Virtual particles are indeed real particles. Quantum theory predicts that every particle spends some time as a combination of other particles in all possible ways. These predictions are very well understood and tested."
http://www.sciam.com/askexpert_quest...000&topicID=13
Sa demonstration semble etre plutot, on observe des effets que l'on explique en theorie quantique en faisant intervenir des particules virtuelles donc elles existent.

Ceci est ce que je défendais comme point de vue, et même si je le défendais je le trouve un tantinet contestable car lié à un formalisme...