Excitation de champs quantiques

[invite3ff507e8]

Bonsoir,

J'ai lu que les particules élémentaires seraient en fait des excitations de champs quantiques. J'aimerais savoir de quels champs quantiques on parle et qu'est ce qui les excitaient.

Merci
-----

[albanxiii]

Bonjour,

Vous êtes allé jusqu'où dans vos étude de mécanique quantique ?

@+

[invite3ff507e8]

Bonjour,

Pas très loin on va dire, mais cette question me trotte dans l'esprit depuis plusieurs jours.

[coussin]

Il doit y avoir au moins un champ quantique dont vous avez entendu parler, c'est le champ électromagnétique. Les excitations de ce champ sont les photons.
En théorie des champs quantiques toute particule provient d'un champ. En plus du champ électromagnétique, il existe d'autres champs correspondant à ces particules. Ces champs peuvent avoir une charge, une masse, etc... Par exemple, il existe un champ correspondant à l'électron. Ce champ est nécessairement complexe (car l'électron est chargé), massif (car l'électron à une masse), spinoriel (car l'électron a un spin).
D'autres champs sont réels, scalaires, tensoriels, etc reflétant les caractéristiques de la particule associée.
Bon, c'est avant tout le cadre théorique nécessaire pour prendre compte la possibilité de création et d'anihilation de particules quand l'énergie est suffisante.
La QFT spécialisée au champ électromagnétique est l'électrodynamique quantique. C'est la meilleure théorie que l'on ait pour décrire l'interaction entre matière et rayonnement.
Généralisée à tous les autres champs, c'est le Modèle Standard, la meilleure théorie que l'on ait en physique des particules.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite3ff507e8]

Bonsoir,

Mais donc qu'est ce qui excite ces champs ?

[invitec998f71d]

Un apport d'énergie venant d'un autre champ qui se désexcite?

[coussin]

Oui, vous excitez ces champs en leurs apportant de l'énergie.
Pour n'importe quel champs massif, il y a une énergie minimale m*c^2 à y apporter pour l'exciter. Une espèce d'énergie d'activation. Normalement, ces énergies de masse m*c^2 sont gigantesques et ne sont rencontrées que dans des accélérateurs de particules. Les champs quantiques massifs, c'est plutôt du ressort du Modèle Standard et de la physique des particules.
Le champ électromagnétique est très particulier parmis les champs quantiques : il n'a pas de masse. Pas d'énergie d'activation. On peut en principe exciter le champ électromagnétique, créer des photons, en y apportant une énergie aussi petite qu'on veut. C'est le cas. Il suffit seulement de secouer une charge électrique pour exciter le champ électromagnétique.

[invite3ff507e8]

Pour les photons avec l'excitation du champ électromagnétique j'arrive à comprendre. Mais pour les quarks par exemple, quel champ est excité et d’où vient l’énergie nécessaire pour exciter ce champ ? Car les quarks sont présent depuis plus de 13 milliards d'années donc il faudrait une énergie continue pour assurer leur maintien ...

@+

[coussin]

Car les quarks sont présent depuis plus de 13 milliards d'années donc il faudrait une énergie continue pour assurer leur maintien ...

Ce n'est pas mon domaine mais je réponds : non, pourquoi ? Une fois crées, il reste là. C'est d'ailleurs une hypothèse de cosmologie que tous les baryons ont été crées peu après le Big Bang et que leur nombre total dans l'Univers est constant depuis cette époque.

[invite3ff507e8]

Il me semblait qu'il fallait un apport d'énergie pour maintenir excité un champ quantique. D'ailleurs on parle de quel champ pour les quarks et atomes ?

[coussin]

Je ne sais pas, il faudrait quelqu'un qui s'y connaisse en physique des particules.
Mais en tout cas, non il ne faut pas d'énergie pour maintenir l'existence d'une particule. Si la particule est stable, elle a une durée de vie infinie. C'est le cas de l'électron et du proton (état lié de quarks uud). Le neutron par contre (état lié de quarks udd) n'est pas stable et a une duré de vie finie dans le vide (mais infinie dans un noyau atomique; il se "stabilise" au voisinage des autres quarks).
Encore une fois, ce n'est pas mon domaine. Je réponds donc sous réserve d'un spécialiste qui me corrigera

[invitec998f71d]

Il me semble bien que si l'on parle du champ photonique en théorie des champs on parle du champ electronique.
Y aurait il un type de champ pour chaque particule élémentaire?

[albanxiii]

Il me semblait qu'il fallait un apport d'énergie pour maintenir excité un champ quantique. D'ailleurs on parle de quel champ pour les quarks et atomes ?

Il faut un apport d'énergie pour faire passer le champ d'un état d'énergie à un état d'énergie supérieure. Une fois qu'il y est, il y reste sans autre apport énergétique. S'il ne se passe rien, le champ ne change pas d'état.

@+

[invitec998f71d]

Il y reste ou revient à l'état fondamental en rendant l'énergie.

[invite3ff507e8]

Il y reste ou revient à l'état fondamental en rendant l'énergie.

Oui donc qu'est ce qui fait que dans le cas des quarks, le champ ne rend apparemment pas cette énergie puisqu'il reste excité.. ?

Bonne soirée.

[invitec998f71d]

Les electrons peuvent se desexciter en revenant a un etat de plus basse energie. Ils ne disparaissent pas pour autant.
Ca semble plus facile pour les photons. Des gens plus calés pourront peut etre en dire plus.

[albanxiii]

Oui donc qu'est ce qui fait que dans le cas des quarks, le champ ne rend apparemment pas cette énergie puisqu'il reste excité.. ?

Et alors ?
C'est la nature qui est comme ça, il n'y a rien à comprendre.
S'il n'y a pas de mécanisme qui permet la désexcitation, il n'y a pas de désexcitation.

Prenez le cas archi connu d'un atome qui absorbe un photon et qui passe dans un état d'énergie supérieure. Vous savez bien que s'il est isolé du reste de l'univers il reste dans cet état excité. Là, le cas est similaire, en quelque sorte.... je vous laisse trouver pourquoi, ce qui ne devrait pas poser de problème vu le niveau des questions que vous posez.

@+

[Deedee81]

Salut,

Oui donc qu'est ce qui fait que dans le cas des quarks, le champ ne rend apparemment pas cette énergie puisqu'il reste excité.. ?

Pour qu'il rende l'énergie il faudrait que l'excitation puisse se transformer en d'autres excitations de même énergie (conservation de l'énergie) et en respectant d'autres lois de conservation (charge électrique, baryonique,..)

Or le quark "up" est le plus léger, il ne saurait donc pas se désintégrer en d'autres quarks ou d'autres particules sans violer la conservation de quelque chose. Tu peux le voir comme l'excitation de ce type de la plus faible énergie.
Le quark "down" est un peu plus lourd et peut se désintégrer en un quark up, cel phénomène est reponsable de l'instabilité du neutron (désintégration bêta).

Que se passe-t-il quand on fournit beaucoup d'énergie. Cela peut créer des quarks. Mais, toujours à cause de ces lois de conservation, il doit y avoir aussi formation d'antiquarks. Ce sont les mêmes mais avec les charges de signe inversée (par exemple les charges électriques positives et négatives).

A contrario, si un quark rencontre un antiquark, ils peuvent se désintégrer l'un l'autre (annihilation) l'énergie se transformant en particule plus légère (ultimement des photons).

Et la création Initiale ? Au début, l'univers étant très dense, l'énergie thermique était gigantesque. Cela a permi la création d'énormément de quarks et antiquarks.
Mais il reste un mystère : où sont passé les antiquarks ??? En fait, une grande partie s'est désintégrée avec les quarks. Mais il est resté un petit résidu de quarks (une part pour un milliard !).
Mais vu les lois de conservation, cette petite différence est incompréhensible.
On a quelques pistes, mais incomplètes. Ou quelques grosses spéculations.

C'est le mystère de la disparition de l'antimatière. Tu trouveras beaucoup de chose sur internet sur ce sujet.

J'espère que cela répond au moins en partie à ton interrogation.

[invite3ff507e8]

Merci à vous.

[jmtengang]

Bonjour,
Je ne sais pas s'il y a encore quelqu'un dans le coin. J'ai une question à poser.
J'aurais posé la même question que la question initiale, je pense que vous y avez répondu. Puisque ces excitations sont des particules et que les particules se déplacent, comment se propage une excitation d'un point à un autre de l'espace?
Merci.

[invitec1a7e33e]

Par excitation, pour la plus faible, il faut comprendre une quantité d'énergie finie du champ et indivisible (=atome d'énergie ou quantum) et non une particule classique.

Lorsque le champ est dans un état d'énergie bien définie, alors il n'évolue pas au cours du temps. (Comme albanxiii l'a si bien dit). Considère l'état du champ électromagnétique à un photon. L'énergie est parfaitement définie et par conséquent l'impulsion du photon aussi, la position est complètement incertaine, l'énergie contenue dans le champ est délocalisée.

La propagation d'une excitation impliquerait un transport local d'énergie. Pour étudier le transport local de l'énergie il faut chercher la vitesse avec laquelle se propage des variations d'amplitude du champ. La vitesse de propagation de l'énergie étant limitée à la valeur finie de la vitesse de la lumière dans le vide c, de telles variations d'amplitudes ne peuvent avoir lieu instantanément ce que implique que l'excitation se retrouverait répartie dans le temps.

[jmtengang]

Oh la la. Désolè d'insister, mais il y a quelque chose qui m'échappe. On dit qu'en théorie quantique des champs, les particules classiques sont des excitations de champs, je comprends par là que lorsqu'un photon apparaît quelque part, le champ électromagnétique a été excité à cet endroit, donc l'excitation s'est déplacée. Selon ce que vous dites, il semble que ce n'est pas ça. Il y a donc quelque chose que je ne comprends pas dans "Lorsque le champ est dans un état d'énergie bien définie, alors il n'évolue pas au cours du temps.". Un champ se trouve en tout les points de l'espace, quelle est donc cette énergie du champ qui n'évolue pas au cours du temps? Serait-ce une énergie globale? Une énergie reçue par exemple au Big-Bang?

Je vais essayer de poser la question de façon différente, en théorie quantique des champs, les particules classiques étant des excitations de champ, comme décrit-on le déplacement d'une particule classique dans cette théorie?

Merci d'avance pour votre réponse qui va certainement me permettre de comprendre ce qu'est réellement un champ.

[mmanu_F]

On dit qu'en théorie quantique des champs, les particules classiques sont des excitations de champs, [...]
Je vais essayer de poser la question de façon différente, en théorie quantique des champs, les particules classiques étant des excitations de champ, comme décrit-on le déplacement d'une particule classique dans cette théorie?

salut,

il me semble important de commencer par fixer un peu de vocabulaire. les particules (dont tu sembles parler) ne sont pas des concepts classiques (comme tu sembles le suggérer), ce sont aussi des manifestations de la réalité quantique (c'est d'ailleurs l'origine du mot "quanta" qui peut être pris comme un synonyme de "particule"). une description de la Nature en terme de particules classiques ne marche pas, par exemple, un modèle "planétaire" de la structure atomique n'est pas stable. il faut utiliser les règles quantiques du jeu : principe d'incertitude, description probabiliste, etc.

ainsi, la théorie quantique des champs (TQCh) n'est pas plus quantique qu'une théorie quantique "des particules" (appelée la mécanique quantique et qui décrit l'atome d'hydrogène par exemple) mais elle permet de prendre en compte correctement la relativité. dans notre théorie quantique des particules (non-relativiste) on peut déjà se faire une idée du lien qui existe entre une description en terme de particule et une description en terme de champ (la fonction d'onde d'un électron par exemple), ce lien s'appelle la dualité onde-particule : un électron fait "clic" dans un détecteur (comme une particule) mais il "passe par tous les chemins" (comme une onde) pour expliquer les figures d'interférences (comme dans l'expérience des fentes d'young).

cette description non-relativiste est suffisante pour se faire une idée de l'émission, la propagation et l'absorption d'un électron. un électron est émis (à un moment donné, à un endroit donné), il se propage un peu comme une onde, et il est absorbé plus tard, ailleurs. la TQCh ne change pas fondamentalement cette image, elle prend en compte le fait qu'une particule ne peut pas s'être propagée plus vite que la lumière. je ne veux pas (encore) rentrer dans les détails, mais le passage à la TQCh consiste dans un premier temps à rebaptiser la "fonction d'onde de l'électron", en "champ quantique de l'électron".

l'histoire du photon est un peu différente, on avait déjà une description (forcément relativiste) ondulatoire (non-quantique) de la lumière (en terme d'onde électromagnétique). Le passage à la TQCh consiste alors (ici aussi) dans un premier temps à rebaptiser le "champ électromagnétique" en "champ quantique du photon" (qui a maintenant une interprétation probabiliste). la propagation d'un photon est alors essentiellement décrite de la même manière que la propagation d'une onde électromagnétique.

je comprends par là que lorsqu'un photon apparaît quelque part, le champ électromagnétique a été excité à cet endroit, donc l'excitation s'est déplacée. Selon ce que vous dites, il semble que ce n'est pas ça. Il y a donc quelque chose que je ne comprends pas dans "Lorsque le champ est dans un état d'énergie bien définie, alors il n'évolue pas au cours du temps.". Un champ se trouve en tout les points de l'espace, quelle est donc cette énergie du champ qui n'évolue pas au cours du temps? Serait-ce une énergie globale? Une énergie reçue par exemple au Big-Bang?

on arrive enfin, j'éspère, à une tentative de réponse à tes questions. pour ce faire, il nous faut les deux champs quantiques, celui de l'électron et celui du photon (c'est peut-être seulement ce point de départ qui te manque pour comprendre l'idée générale de la TQCh). un photon n'apparait pas quelque part sans raisons, il apparait parce qu'il a été émis par un électron : l'énergie emportée par le photon est l'énergie que l'électron a perdu. tu peux imaginer que toute la physique est décrite par trois "parties" : une partie décrit les électrons seuls (leur propagation libre encodée par un terme d'énergie cinétique), une partie décrit les photons (leur propagation libre encodée aussi par un terme d'énergie cinétique) et un terme décrivant l'interaction des électrons et des photons (encodée par un terme d'énergie potentielle). le terme d'interaction permet de faire passer de l'énergie des électrons aux photons (dans les deux sens selon les cas). cette énergie peut alors se propager soit sous forme d'électron, soit sous forme de photon (selon les cas). lorsqu'un électron (ou un photon) se déplace librement, il ne perd pas d'énergie, il échange de l'énergie "au moment" de l'interaction. la question de savoir d'où vient cette énergie, revient à se demander d'où vient l'électron et dans ce sens on peut effectivement remonter l'histoire de l'univers pour découvrir son origine. mais pour ce qui nous concerne ici, l'énergie est conservée, elle passe simplement (comme elle le faisait classiquement) d'une forme à l'autre (par exemple d'un électron à un photon).

[Paradigm]

Bonjour mmanu_F, bonjour a tous

Me permettez-vous de profiter de votre expertise sur le sujet pour vous poser une question d'ordre épistémique ?

un électron fait "clic" dans un détecteur (comme une particule) mais il "passe par tous les chemins" (comme une onde) pour expliquer les figures d'interférences (comme dans l'expérience des fentes d'young).

Est-ce vraiment le concept "d’électron" qui fait "clic" (même si pour moi la perception du clic je l'associe à la présence d'un être conscient et donc la nécessité de prendre en compte un processus neuronal et de plus en vivre l’expérience consciente) ou la conséquence d'une interaction entre un objet que nous humain "objectivons" par le concept d’électron (qui fait sens pour nous relativement à un cadre théorique donnée mais qui ne peut pas nous être perceptible tout comme peut l'être un cailloux) et un système macroscopique dont l'objectif est d'enregistrer l'interaction ?


Cordialement

[jmtengang]

mmanu_F, Merci pour ta réponse, mais je reste sur ma fin, et je me demande si mon problème ne vient pas de la compréhension même de ce qu'est un champ. J'imagine LE champ électromagnétique comme une entité énergétique couvrant tout l'espace, quand il n'est pas excité EN UN POINT DE L'ESPACE, ce champ est dans son état fondamental EN CE POINT, il peut ne pas l'être en d'autres points, là où il est excité par interaction avec un champ électronique par exemple, apparaît un photon. Donc en partant de cette vison qui est certainement fausse, j'imaginais ensuite la propagation de ce photon comme des excitations successives d'autres points du champ, propagation qui pourra au passage excité d'autres types de champs en un point. Je me demande donc si mon problème n'est pas celui de la compréhension de l'état fondamental ou de l'excitation d'un champ que je vois comme locale (ponctuelle). Selon cette logique, je vois des excitations du champ électromagnétique partout où il y a un photon et le champ électromagnétique dans son état fondamental partout où il n'y en a pas.
Voilà, je pense qu'à ce niveau de lecture, vous avez certainement décelé en quoi je suis totalement dans l'erreur et j'espère vivement que cette fois-ci votre réponse m'éclairera définitivement.

[mmanu_F]

salut,

je te retourne la question ;D :

Est-ce vraiment le concept de "caillou" qui "reflète la lumière du soleil dans mon oeil à la manière d'un caillou" (même si pour moi la perception de la lumière reflètée je l'associe à la présence d'un être conscient et donc la nécessité de prendre en compte un processus neuronal et de plus en vivre l’expérience consciente) ou la conséquence d'une interaction entre un objet que nous humain "objectivons" par le concept de caillou (qui fait sens pour nous relativement à un cadre théorique donné, mais qui ne peut pas nous être perceptible directement, surtout la nuit) et un système macroscopique (l'oeil) dont l'objectif est d'enregistrer l'interaction ?

personnellement je préfère les électrons aux cailloux, ils sont plus faciles à définir (8 nombres suffisent, tous les électrons sont identiques et ils permettent en bonus de mieux comprendre les cailloux).

[Paradigm]

personnellement je préfère les électrons aux cailloux, ils sont plus faciles à définir (8 nombres suffisent, tous les électrons sont identiques et ils permettent en bonus de mieux comprendre les cailloux).

Je peux percevoir un « tas de n cailloux », mais n'ai je n'ai jamais perçu de un « tas de n électrons » quand bien même plusieurs « tas de n cailloux » sont identiques, bien que fondamentalement distincts, alors qu’un « tas d'électrons » !!!

La définition du concept d’électron relativement à un cadre théorique ne me pose aucun problème c'est juste l'interprétation épistémique (consciente ou inconsciente) que nous propose certain physicien qui m'interpelle.

Oubliez ma question.

Cordialement