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Interaction EM longue distance et photons



  1. #1
    Sigmar

    Interaction EM longue distance et photons


    ------

    Bonjour à tous,

    Une petite question de base en QED me créé pas mal de problème depuis peu.
    Dans le modèle standard que je crois en accord avec la QED, on définit le photon comme le boson vecteur de l'interaction électromagnétique. Celui-ci se propage donc entre deux charges électriques qui interagissent.
    Comment expliquer alors que des photons nous arrivent des galaxies voisines? Cela veut-il dire que les éléments de la galaxie voisine interagissent avec la particule qui va en particulier être frappée par le photon, parfois des milliers d'années plus tard? Comment l'électron qui bouge dans Andromède peut prévoir d'intéragir avec une particule dans la voie lactée qui ne sera pas à l'endroit choisi avant des milliers d'années? Alors, dans la vision du modèle standard, pourquoi une charge accélérée rayonne des photons visibles et réels dans toutes les directions (et dans ce cas, avec quoi interagit t-elle)?

    J'ai posé la question à mon professeur de QED, qui m'a répondu que les photons n'avaient pas le même statut que les autres bosons, puisqu'ils avaient une masse nulle (raison pour laquelle l'interaction EM est de portée infinie, cela je l'ai bien compris), ils pouvaient être observés directement (sans avoir à passer par ses produits de désintégration comme pour les W ou le Z) contrairement aux autres bosons et que seuls les photons virtuels étaient responsables des interactions...
    Ok, je veux bien l'entendre. Mais alors cela voudrait dire que le photon n'est pas toujours vecteur d'interaction?

    Mon explication est la suivante, et je vous demande de confirmer : le champ EM créé par une charge, même dans Andromède, se propage de manière idéalement isotrope sans besoin d'interaction avec une autre particule (je passe sous silence le besoin d'une charge test). Les photons, les quanta du champ, se propagent alors avec le champ et viennent "frapper" ce qui traine sur le chemin, prouvant alors qu'il y a interaction.
    Bon finalement, ça tourne en rond, parce que tant qu'il n'y a pas interaction, on ne peut absolument pas dire que la charge a rayonné des photons, donc...

    Enfin, si vous pouvez m'éclairer là dessus, ce serait vraiment sympathique !

    Merci !
    A+

    Sig

    -----
    Dernière modification par Sigmar ; 15/03/2009 à 14h37.
    "I have to understand the world, you see." (Richard P. Feynman)

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  3. #2
    curieuxdenature

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    Bonsoir Sigmar

    c'est cette phrase là qui me gêne:
    Celui-ci se propage donc entre deux charges électriques qui interagissent.
    si c'était le cas, comment pourrait-on observer une raie spectrale quelconque ?
    Pourquoi 'entre' deux charges ?
    Cela me semble un abus de vocabulaire. N'importe quelle explosion a aussi lieu 'entre' deux composants, un comburant et un combustible, et le résultat se propage bien à l'extérieur.
    Est-ce qu'il est besoin d'une cible pour tirer un coup de fusil ?
    Quand le coup est parti, un côté pèse 3 grammes de moins et l'autre pèse 3 g de plus qu'avant la réaction.
    L'electronique, c'est fantastique.

  4. #3
    b@z66

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    De plus, une interaction implique toujours en physique une mutualité mais je ne comprends pas en quoi Sigmar peut penser qu'il y a une "anticipation" d'une source émissive de photon de la possible interaction avec un élément récepteur. Le principe contenu dans la propagation des ondes et donc des photons impliquent par définition le respect de la relation de cause à effet et de la cause et donc l'impossibilité de connaitre à l'avance les effets de l'émission d'un photon. Il ne faut pas tout mettre à l'envers dans la relation cause à effet: ce n'est pas l'interaction "effective" qui est au préalable anticipée par la source émissive (cause) mais l'inverse. Je ne vois pas où est le problème...
    La curiosité est un très beau défaut.

  5. #4
    Sigmar

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    Ok, je comprends mieux mon problème : deux visions incompatibles dont une fausse... Je crois avoir réglé le problème dans mon esprit grâce à vos réponses ! Merci.
    "I have to understand the world, you see." (Richard P. Feynman)

  6. #5
    Karibou Blanc

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    Bon finalement, ça tourne en rond, parce que tant qu'il n'y a pas interaction, on ne peut absolument pas dire que la charge a rayonné des photons, donc...
    Je crois que le probleme de ce genre d'interprétation tient au fait que la QED, et la théorie des champs n'est pas "chronologique", dans le sens où on résout la dynamique de la théorie de manière globale ou "intégrale" car ce sont des théorie analytique de la mécanique obéissant au principe de moindre action. Pour tenter de clarifier ce que je raconte, je pense que le probleme que tu te poses est équivalent à celui qu'on rencontre la première fois qu'on découvre le principe de moindre action: Comment la particule sait qu'elle doit suivre telle trajectoire à chaque instant pour minimiser l'integrale d'action entre l'instant initial et l'instant final ?

    En TQC, il faut plutot raisonner en termes d'amplitude de probabilité. Le principe d'incertitude indique qu'une particule peut être "hors couche de masse" (pour le photon, aller plus ou moins vite que la lumière) pour une durée en gros inversement proportionnelle à la "virtualité" de la trajectoire (cad la différence p^2-m^2, où p est la quadri-impulsion). Et il faut sommer sur toute ces possibilités, correspondant à des chemins différents de l'integrale fonctionnelle. Plus la distance de propagation est grande, plus il devient improbable pour une particule "virtuelle" de se propager (cf principe d'incertitude). Ainsi pour une état asymptotique en TQC, apres un temps de propagation infini (ou tres grand devant l'échelle de temps pertinente du systeme en question), les seuls chemins restants correspondent à des particules dites "réelles" ou sur couche de masse (p^2=m^2). A ce stade, il devient inutile de considérer le fait que cette particule (le photon par exemple) est nécessairement un vecteur d'interaction entre deux charges. Si le temps de propagation est beaucoup plus grand que toute autre échelle de temps caractéristique, alors le photon émis par la première charge est réel et n'a pas besoin de savoir quand il sera absorbé par une autre charge.
    Well, life is tough and then you graduate !

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #6
    Sigmar

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    Salut,
    Citation Envoyé par Karibou Blanc Voir le message
    Je crois que le probleme de ce genre d'interprétation tient au fait que la QED, et la théorie des champs n'est pas "chronologique", dans le sens où on résout la dynamique de la théorie de manière globale ou "intégrale" car ce sont des théorie analytique de la mécanique obéissant au principe de moindre action. Pour tenter de clarifier ce que je raconte, je pense que le probleme que tu te poses est équivalent à celui qu'on rencontre la première fois qu'on découvre le principe de moindre action: Comment la particule sait qu'elle doit suivre telle trajectoire à chaque instant pour minimiser l'integrale d'action entre l'instant initial et l'instant final ?
    Ok, merci pour l'analogie.

    Citation Envoyé par Karibou Blanc Voir le message
    En TQC, il faut plutot raisonner en termes d'amplitude de probabilité. Le principe d'incertitude indique qu'une particule peut être "hors couche de masse" (pour le photon, aller plus ou moins vite que la lumière) pour une durée en gros inversement proportionnelle à la "virtualité" de la trajectoire (cad la différence p^2-m^2, où p est la quadri-impulsion). Et il faut sommer sur toute ces possibilités, correspondant à des chemins différents de l'integrale fonctionnelle. Plus la distance de propagation est grande, plus il devient improbable pour une particule "virtuelle" de se propager (cf principe d'incertitude). Ainsi pour une état asymptotique en TQC, apres un temps de propagation infini (ou tres grand devant l'échelle de temps pertinente du systeme en question), les seuls chemins restants correspondent à des particules dites "réelles" ou sur couche de masse (p^2=m^2). A ce stade, il devient inutile de considérer le fait que cette particule (le photon par exemple) est nécessairement un vecteur d'interaction entre deux charges. Si le temps de propagation est beaucoup plus grand que toute autre échelle de temps caractéristique, alors le photon émis par la première charge est réel et n'a pas besoin de savoir quand il sera absorbé par une autre charge.
    Ok, je vois que le problème est complexe.
    Peut-on alors dire que les photons d'interaction sont nécessairement virtuels?
    Comment est-ce possible que des photons virtuels "sachent" qu'ils vont être absorbés?
    Peut-on alors considérer que les photons venant des autres galaxies ne sont pas des bosons vecteurs d'interaction?

    Merci pour vos réponses !
    "I have to understand the world, you see." (Richard P. Feynman)

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  10. #7
    betatron

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    bonsoir à tous et merci pour ce débat intéressant
    Citation Envoyé par Karibou Blanc Voir le message
    ...principe de moindre action: Comment la particule sait qu'elle doit suivre telle trajectoire à chaque instant pour minimiser l'integrale d'action entre l'instant initial et l'instant final ?
    oui, au fait, comment le sait-elle? j'avoue que ça m'avait toujours paru évident, mais maintenant que la question est posée...
    En TQC, il faut plutot raisonner en termes d'amplitude de probabilité. Le principe d'incertitude indique qu'une particule peut être "hors couche de masse" (pour le photon, aller plus ou moins vite que la lumière) pour une durée en gros inversement proportionnelle à la "virtualité" de la trajectoire (cad la différence p^2-m^2, où p est la quadri-impulsion). Et il faut sommer sur toute ces possibilités...
    que veut dire "hors couche de masse"? là aussi, j'avoue ne m'être encore jamais posé la question à propos des diagrammes de Feynman, les trajectoires moins probables (donc plus longues) des photons virtuels se feraient-elles à vitesses supérieure à c?
    Et n'est-ce pas un façon de dire que finalement, un photon réel est simultanément partout, quoique avec des amplitudes de probabilité décroissantes avec la distance?

  11. #8
    pepejy

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    bonsoir,

    je pense, mais je me gourre peut-être complêtement, que le photon est un vecteur d'interaction qu'à partir du moment où il est capturé. ce qui me fait m'interroger sur le fait que nouis sommes peut-êre trop obnubilé par les diagramme de Feynman, et que nous oublions que celà n'est qu'une représentation bien pratique. (mais j'ai du boulot sur la planche pour mettre tout ça au clair) je vais essayer de trouver le temps pour y réfléchir. Si je dis une co***ie dites le moi. cela m'évitera de me transformer en troll

    il ne faut pas me donner du wiskhy après 20h

    cordialement

  12. #9
    betatron

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    Citation Envoyé par pepejy Voir le message
    bonsoir,

    le photon est un vecteur d'interaction qu'à partir du moment où il est capturé.

    il ne faut pas me donner du wiskhy après 20h
    je sais pas la marque du wiskhy, mais la tautologie, elle, est savoureuse!

  13. #10
    Karibou Blanc

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    Peut-on alors dire que les photons d'interaction sont nécessairement virtuels?
    Disons qu'en gros, les photons d'interactions sont toujours distribués autour de p^2=m^2 avec un variance d'autant plus faible que le temps de propagation est long (pour un temps infini, tous photons sont réels, en attendant ils se "réalisent").

    Comment est-ce possible que des photons virtuels "sachent" qu'ils vont être absorbés?
    Cf, meme probleme posé par le principe de moindre action. La réponse est simple: le photon ne sait rien et n'a pas besoin de savoir quoi que soit. Et surtout pas quelle méthode de calcul le physicien utilise pour prévoir son comportement. C'est une question qui n'a pas vraiment de sens. Il existe deux facons (equivalentes) de résoudre un probleme mécanique, soit en résolvant une équation du mouvement, soit en imposant un principe de moindre action. La premiere est plus intuitive car chronologique, pour avoir la position est la vitesse à l'instant t+dt j'ai juste besoin de la position et la vitesse à l'instant t. La seconde l'est beaucoup moins car integrale en supposant connus les deux positions initiale et finale. Mais c'est le meme probleme.

    Peut-on alors considérer que les photons venant des autres galaxies ne sont pas des bosons vecteurs d'interaction?
    Disons plutot que ce sont des photons qui ont une probabilité extremement négligeable d'etre virtuel. Le photon réel en ce sens n'est qu'un concept idéal jamais réalisé en toute rigueur.

    oui, au fait, comment le sait-elle? j'avoue que ça m'avait toujours paru évident, mais maintenant que la question est posée...
    cf ci dessus, une particule ne sait rien et n'a pas besoin de savoir comment le physicien modélise son comportement.

    que veut dire "hors couche de masse"?
    La couche de masse est l'hyperboloide (4d) décrit par l'équation p^2-m^2=0 (ou p^2=E^2-(p_1^2+p_2^2+p_3^2) est la norme du quadrivecteur impulsion). Une particule est dite sur couche de masse si son p^2=m^2, cad si sa quadri-impulsion se balade sur l'hyperboloide. Sinon elle est dite hors couche de masse.

    les trajectoires moins probables (donc plus longues) des photons virtuels se feraient-elles à vitesses supérieure à c?
    supérieure ou inférieure, mais oui.
    Well, life is tough and then you graduate !

  14. #11
    pepejy

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    bonsoir,

    ce que j'aime chez Karibou blanc c'est la concision et la précision de ses réponses, en plus cela oblige à faire tout un travail de recherche pour une cbonne compréhension surtout pour moi qui aborde la QED en autodidacte

    Merci KB

  15. #12
    betatron

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    Citation Envoyé par pepejy Voir le message
    bonsoir,

    ce que j'aime chez Karibou blanc c'est la concision et la précision de ses réponses, en plus cela oblige à faire tout un travail de recherche pour une cbonne compréhension surtout pour moi qui aborde la QED en autodidacte

    Merci KB
    Oui, bravo aussi!
    Mais je reste un peu sur ma faim... car tout se passe comme si la particule "cherchait" où elle va; c'est surtout patent en MQ.
    Les trajectoires improbables ont beau s'annuler mutuellement, si elles le font c'est bien parce que fondamentalement, elles "interfèrent" entre elles; c'est toujours l'histoire des trous de Young.

    Quand des photons partent de la galaxie d'Andromède, ce que je crois est qu'ils ne se dirigent pas vers nous spécialement, mais vers partout, à la façon d'une onde. Et si nous en recueillons un de temps en temps, c'est parce que collectivement, ils n' "oublient" pas que de temps en temps, il doit s'en manifester vers nous aussi, afin de satisfaire la statistique. En fait, le photon ne cherche pas son chemin, ce chemin est dans toutes les directions tant qu'il n'est pas intercepté, mais il "devine au dernier moment" où produire sa manifestation quand l'occasion d'une interception lui est donnée. Et cela suggère l'idée que quelque chose le précède, de préférence à vitesse infinie, détectant avant lui tous les détecteurs potentiels, et le renseignant sur lequel choisir pour se manifester, afin qu'aucun ne soit oublié sur un grand nombre de photons.
    On peut pour simplifier imaginer deux détecteurs situés à gauche et à droite d'Andromède (on dira ça comme ça...), mais l'un beaucoup plus loin que l'autre. L'onde pilote d'un photon doit avoir atteint le plus éloigné pour pouvoir dire au photon, par exemple, qu'il devra se manifester sur le plus rapproché (je suppose que pour que la statistique soit vérifiée, elle a simplement besoin de connaître l'état quantique des deux détecteurs). Cette "onde-pilote" dont je suggère l'existence n'aurait d'ailleurs rien de très exotique: il s'agirait simplement de la non-séparabilité, le même vecteur qui intervient dans les expériences EPR. Après tout, je pense qu'on peut bien dire qu'un photon est "intriqué" avec lui-même!
    Je me doute bien qu'il y a dans ce que j'ai dit bien des choses discutables, mais justement, celles-ci sont faites pour être discutées et ce serait avec plaisir!

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  17. #13
    mariposa

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    Citation Envoyé par betatron Voir le message
    Oui, bravo aussi!
    Mais je reste un peu sur ma faim... car tout se passe comme si la particule "cherchait" où elle va; c'est surtout patent en MQ.
    Les trajectoires improbables ont beau s'annuler mutuellement, si elles le font c'est bien parce que fondamentalement, elles "interfèrent" entre elles; c'est toujours l'histoire des trous de Young.
    Effectivement, il est facile de comprendre pourquoi toi et d' autres se posent de telles questions. L'erreur est facile à détecter: Toutes les considérations que tu fais s'appuient sur des concepts classiques et donc à des impasses alors qu'il s'agit de MQ.

    Je ré explique en "profondeur" de quoi il s'agit.

    En MQ on traduit la propagation par une fonction:

    G (Ra,t°, Rb,t)

    qui décrit l'évolution d'un quanton (que tu peux te représenter momentanément comme la trajectoire d'une particule) qui part du point Ra à l'instant t° et qui arrive au point Rb à l'instant t.

    Cette expression G est mathématiquement plusieurs choses à la fois:
    .
    1- C'est un élément de matrice de l'opérateur d'évolution U(t°,t) entre |Ra| et |Rb>.

    2- C'est une fonction de réponse d'une EDP avec comme second membre un pic de Dirac. C'est donc une fonction de Green.

    3- C'est une amplitude de probabilité qui est une probabilité conditionnelle à 2 temps. (cela veut dire que s'il n y avait pas le terme amplitude il s'agirait d'un processus de Markov). On note que la variable temps indice une variable aléatoire.

    L'ensemble de ces 3 points fait que l'on a faire a quelque chose comme une équation stochastique.

    Cette dernière remarque nous incite a représenter la solution G (Ra,t°, Rb,t) selon un principe de superposition en traitant le "processus de Markov" en introduisant des temps intermédiaires, cad des variables stochastiques intermédiaires, selon la procédure de Chapmann-Kolmogorov.

    C'est ainsi que l'on obtient en final une superposition de fonctions, cad une superposition linéaire de chemins que l'on peut assimiler momentanément à une superposition d'ondes.

    C'est ainsi que ce qui traduit la réalité dans le langage de la MQ c'est le quanton qui n'est ni une particule ni une onde mais qui selon la représentation peut-être assimilé en tant que béquille intellectuelle soit à une particule boule soit à une onde.

    Pour comprendre "avec les mains" un phénomène quantique il faut donc se faire des images issues de la MQ et utiliser avec une excessive précaution des mots de physique classique comme "particules" et "ondes".

    Il s'agit encore une fois d'étudier la MQ ce qui évitera se de poser des questions (et donc des réponses) d'inspiration classique.

    Le livre de Basdevant que je t'ai indiqué est vraiment abordable.

  18. #14
    betatron

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    Citation Envoyé par mariposa Voir le message
    Effectivement, il est facile de comprendre pourquoi toi et d' autres se posent de telles questions. L'erreur est facile à détecter: Toutes les considérations que tu fais s'appuient sur des concepts classiques et donc à des impasses alors qu'il s'agit de MQ.

    Le livre de Basdevant que je t'ai indiqué est vraiment abordable.
    Merci, je tâcherai de potasser tout ça quand j'aurai un peu de temps...
    Mais quand c'est toi qui dis "vraiment abordable", je me méfie!

  19. #15
    mariposa

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    Citation Envoyé par betatron Voir le message
    Merci, je tâcherai de potasser tout ça quand j'aurai un peu de temps...
    Mais quand c'est toi qui dis "vraiment abordable", je me méfie!
    Bonjour,

    pas vraiment abordable, je voudrais préciser que cela n'est pas sans un minimun d'effort et petit travail personnel et des discussions sur Futura, ou ailleurs.

    Le Livre de Basdevant en question contient beaucoup de textes autour des formules et calcul. L'histoire de la MQ est également bien sélectionnée en rapport avec les intentions pédagogiques.

    Quand à la partie mathématique qu'il faut connaître c'est à la fois peu de choses, mais ces choses sont indispensables, incontournables. Il s'agit de l'algèbre linéaire de base. Cela veut dire:

    1- Les nombres complexes.

    2- Les vecteurs, les bases de vecteurs, les changements de base.

    3- Le produit scalaire.

    4- Les opérateurs qui agissent sur les vecteurs. Les matrices qui représentent les opérateurs et les matrices qui changent la représentation des opérateurs.

    5- Les vecteurs propres d'un opérateur.

    6- Les espaces de Hilbert: En version simplifiée cela consiste à montrer qu'une fonction f(x) peut sous certaines conditions obtenir le statut de vecteur.

    par exemple tu fais l'intégrale sur un domaine de 2 fonctions f(x) et g(x) tu trouves un nombre et ce nombre a le statut de produit scalaire de 2 vecteurs que tu écris <f|g> qui est une notation équivalente en mettant des flèches au dessus de f et g.

    En particulier si le produit scalaire <f|g>= 0 cela veut dire que les 2 fonctions sont orthogonales.

    a titre d'essai tu peux essayer avec les fonctions sinx et cosx en prenant comme intervalle la période. C'est ainsi que |sin> et |cos> sont 2 vecteurs orthogonaux qui sont-tendent un espace vectoriel de dimension2

    Ainsi si quand on écrit: exp (ix) = cosx + i.sinx

    il faut penser géométriquement hilbertien:

    |exp> = |cos x> + I.|sin>

    Autrement dit le vecteur |exp> est un vecteur d'un espace de Hilbert de dimension 2 qui a pour composante 1 suivant le vecteur de base |cos> et i suivant le vecteur de base |sin>

    Le langage de la MQ est donc fondée sur un pensée géométrique (les espaces vectoriels de Hilbert) mais cette géométrie est manipulée algébriquement et donc requière le minimum de connaissance d'algèbre linéaire.


    Un petit exemple sur le mécanisme de pensée. Quand un atome passe d'un niveau d'énergie à un autre en absorbant un photon cela doit être compris comme étant dans un état initial représenté par un vecteur |f> il passe dans un autre état |g> qui est donc une rotation dans un espace de Hilbert. Cette rotation est provoquée par le photon qui est mathématiquement représenté par un opérateur .


    Comme tu peux le constater tout cela t'es tout à fait largement accessible mais quand même un effort minimal s'impose.

  20. #16
    betatron

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    Citation Envoyé par mariposa Voir le message
    Comme tu peux le constater tout cela t'es tout à fait largement accessible mais quand même un effort minimal s'impose.
    il me semble en effet que ce n'est pas si difficile que ça. Peux-tu me rappeler le titre du bouquin de Basdevant?

  21. #17
    mariposa

    Re : Interaction EM longue distance et photons

    Citation Envoyé par betatron Voir le message
    il me semble en effet que ce n'est pas si difficile que ça. Peux-tu me rappeler le titre du bouquin de Basdevant?
    Jean-Louis BASDEVANT

    12 leçons de Mécanique quantique

    Chez Vuibert

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