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Nature de la matière à l'echelle sub-atomique



  1. #1
    Shouker

    Nature de la matière à l'echelle sub-atomique


    ------

    Je m'intéresse à la nature de la matière à l'échelle de l'atome ou en dessous :

    Une particule est elle sous la forme d'une onde de matière donc répartie dans l'espace et le temps ou bien est-elle ponctuelle ?

    Qu'en dit la théorie quantique à ce sujet ?

    Doit-on s'en tenir aux valeurs propres des observables ou peut-on faire une interprétation physique sur la fonction d'onde ( et pas qu'au carré de son module ) ?

    -----

  2. Publicité
  3. #2
    Niels Adribohr

    Re : Nature de la matière à l'echelle sub-atomique

    Citation Envoyé par Shouker Voir le message
    Je m'intéresse à la nature de la matière à l'échelle de l'atome ou en dessous :

    Une particule est elle sous la forme d'une onde de matière donc répartie dans l'espace et le temps ou bien est-elle ponctuelle

    Qu'en dit la théorie quantique à ce sujet ??
    Bonjour,
    en MQ, un système physique constitué uniquement d'une particule est décrite par une fonction d'onde ψ(x,t) obéissant à l'équation de Schrodinger. Lorsqu'on se pose la question de savoir : si je fait une mesure à l'instant t sur sa position, quelle est la probabilité pour que je la trouve à l'endroit x ?
    La réponse est |ψ(x,t)|2. Or, ψ(x,t) est une fonction d'onde comme on en trouve plein en physique classique, ce qui fait dire aux gens que la particule est une onde. Et comme lorsqu'on fait la mesure, on ne la trouve que dans tel ou tel endroit, on dit également que la particule a un aspect corpusculaire. On en vient à parler de dualisme onde-corpuscule à propos de la particule. Seulement, il faut bien voir que ce que je viens de raconter n'est valable que lorsque notre système est uniquement une particule et que l'on cherche à savoir quelle est la probabilité de trouver la particule en telle ou telle lieu ! Mais le formalisme quantique est beaucoup plus générale que ça ! Par exemple, si notre système est composée de plusieurs particules interagissants les unes avec les autres, et que l'on cherche à savoir : "quelle est la probabilité pour que la particule 1 apparaisse en x1, la particule 2 apparaisse en x2 etc.. si je fais une mesure", la fonction d'onde obéissant à l'équation de Schrodinger grâce à laquelle je répondrais à cette question est une fonction ψ(x1, x2, .., xn, t) qui n'a plus la forme d'une fonction d'onde classique ! Et on ne peut en générale pas attribuer de fonction d'onde individuelle à chaque particule. Donc, difficile de prétendre qu'une particule est une onde. En même temps, avant la mesure, la valeur de |ψ(x1, x2, .., xn, t)|2 ne donnent pas la probabilité qu'ont les particules de se retrouver à telle ou telle endroit, mais la probabilité qu'ont les particules de se retrouver à telle ou telle endroit si on fait cette mesure. Autrement dit, avant de faire la mesure, les particules ne sont ni ici ni là. Difficile alors de dire qu'il s'agit de corpuscule.
    En théorie quantique des champs, les particules prennent un statut assez inattendu : elles représentent des excitations des différents champs quantique ( le photon est une excitation du champ électromagnétique, l'électron et le positron des excitations du champ électronique etc...). En effet, en théorie quantique des champs, les systèmes physiques étudiées ne sont plus un ensemble de particules, mais un ensemble de champs. Le nombre de particules présentes devient alors une donnée vis à vis de l'état du champ, de la même manière que l'impulsion d'une particule est une donnée vis à vis de l'état d'une particule. Ce qui veut dire entre autre que tant qu'on fait pas de mesure, le nombre de particule dans un champ particulier n'est pas fixé ! Le vecteur d'état du système nous dit alors : "quelle est la probabilité pour que si nous faisions une mesure, on trouve telle degré d'excitation pour telle champs (cela voulant dire : quelle est la probabilité de trouver tant ou tant de particule de telle ou telle nature)". Mais cela n'a pas de sens de dire avant la mesure : "il y a tant de particule de telle nature dans le système" (sauf que dans le cas non relativiste, le nombre de particule est la plus part du temps conservé, et l'on peut faire comme si ce nombre était fixé même avant la mesure, ce qui justifie d'ailleurs la possibilité de traiter une particule comme un système physique en mécanique quantique non relativiste).

    Citation Envoyé par Shouker Voir le message

    Doit-on s'en tenir aux valeurs propres des observables ou peut-on faire une interprétation physique sur la fonction d'onde ( et pas qu'au carré de son module ) ?
    Par rapport à ce que je viens de dire, il semble que la fonction d'onde ne dise rien du système physique en lui-même, mais seulement la probabilité de trouver tel ou tel résultat si on fait tel ou tel mesure. Donc, difficile d'interpréter la fonction d'onde autrement que comme un outil de prédiction.

  4. #3
    Shouker

    Re : Nature de la matière à l'echelle sub-atomique

    Il semblerait donc que cette notion d'onde attribuée à une particule ne s'applique que lorsqu'on la suppose isolée de tout, puisque sinon il faut en toute rigueur considérer une fonction d'onde plus générale.

    Toutefois l'expérience des fentes d'Young appliquée à une particule quelconque nous impose de concevoir un comportement d'onde pour celle-ci avant la mesure ( avant qu'elle ne percute l'écran ).

    On peut être alors amener à penser que la notion de fonction d'onde ne fait que nous indiquer les informations qu'on peut avoir sur le système et indirectement les valeurs possibles obtenues lors d'une mesure.
    Il est donc logique que cet être mathématique traduise un comportement d'onde puisque c'est une information importante sur le système.

    En conclusion on a concrètement accès au pire à seulement les différentes valeurs possibles d'une mesure, au mieux à des informations indirectes sur le système : La notion d'onde ou de caractère probabiliste d'une expérience sont nécessaires à la bonne interprétation d'une expérience telle que celle des fentes d'Young, sans quoi on est dans l'impasse.

    Ainsi ces grandeurs abstraites de fonction d'onde ou de vecteur d'état ne sont la traduction directe de la nature de la matière. Il ne s'agit que d'une traduction qu'en terme d'information ou de comportement.

    Quelle est donc concrètement la nature de la matière à l'échelle subatomique ? Connaitre le comportement de celle-ci suffit-il pour répondre à cette question ?
    Pour certain physicien une telle question est dénuée de sens et dépourvue d'intérêt puisque seul compte les résultats qu'on peut obtenir à l'issu d'une mesure et les probabilités associées.

    Mais si on tente de vraiment comprendre l'univers, celle-ci peut finalement paraitre naturelle.

    Pour finir la notion de champ introduite par l'électrodynamique quantique semble être une piste. Mais il s'agit encore là d'une grandeur abstraite. Toutefois elle présente l'intérêt d'unifier les phénomènes électrodynamiques, ce qui fait du champ électrique qu'un cas particulier.
    Le champs n'est il appliqué qu'au bosons ou bien l'est il aussi pour les autres particules massives ?

  5. #4
    Niels Adribohr

    Re : Nature de la matière à l'echelle sub-atomique

    En conclusion on a concrètement accès au pire à seulement les différentes valeurs possibles d'une mesure, au mieux à des informations indirectes sur le système
    Oui, c'est ce qu'il me semble. Il y a actuellement des discussions à ce sujet sur le forum dans la rubrique "débat", le titre étant "MQ réalisme vs anti-réalisme". Clairement, la question de savoir si la fonction d'onde a un statut ontologique est une question vraiment délicate.

    Quelle est donc concrètement la nature de la matière à l'échelle subatomique ? Connaitre le comportement de celle-ci suffit-il pour répondre à cette question ?
    Là encore, c'est difficile de répondre. Ma réponse personnelle à tes deux questions seraient pour l'instant :
    -je ne sais pas.
    -non, je ne pense pas.

    Pour certain physicien une telle question est dénuée de sens et dépourvue d'intérêt puisque seul compte les résultats qu'on peut obtenir à l'issu d'une mesure et les probabilités associées.
    Mais si on tente de vraiment comprendre l'univers, celle-ci peut finalement paraitre naturelle.
    Je suis bien d'accord avec toi ! Je trouve personnellement cela aussi frustrant que fascinant !

    Pour finir la notion de champ introduite par l'électrodynamique quantique semble être une piste. Mais il s'agit encore là d'une grandeur abstraite. Toutefois elle présente l'intérêt d'unifier les phénomènes électrodynamiques, ce qui fait du champ électrique qu'un cas particulier.
    Les grands problèmes d'interprétation de la mécanique quantique persistent en électrodynamique quantique (QED) où dans n'importe quelle théorie quantique des champs (TQC). En TQC (et donc en QED), la fonction d'onde est remplacée par un vecteur de l'espace de Fock. On peut se poser les mêmes questions sur ces vecteurs que sur la fonction d'onde quant à leurs statuts.

    Le champs n'est il appliqué qu'au bosons ou bien l'est il aussi pour les autres particules massives ?
    Il existe plusieurs type de champs. En TQC, toutes les particules sont décrites comme étant des excitations de ces champs, y compris les particules massives et pas seulement les bosons. Les différents champs sont classés en catégorie selon le spin de leurs particules :
    -champs scalaire (spin 0, exemple : boson de Higgs?)
    -champs spinoriel (spin 1/2, exemple : tout les fermions du modèle standart !)
    -champs vectoriel (spin 1 : pour l'instant tout les bosons d'interactions du modèle standard)
    -champs tensoriel (spin 2: le graviton ?)

    Les noms (scalaire, vectoriel etc..) viennent de la manière dont se transforment ces champs sous une transformation de Lorentz.

  6. A voir en vidéo sur Futura

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