Echanges de particules comme explication des interactions electroamagnetiques

[gatsu]

Salut a tous,

Je regardais ce document sur le programme de physique des A level (equivalents aux deux dernières années de lycée en Angleterre) et on remarque qu'une part importante est donnée a la physique des particules.

Je n'ai pas d'opinion particulière sur ce choix pédagogique. En revanche, je suis cependant assez étonné du caractère supposément explicatif d'échange de particules comme générateur des forces/interactions (voir page 6 du document ci dessus).

Il me semble que le fait de n'expliquer les interactions que par des echanges de particules soit de plus en plus predominant soit en general soit au moins dans la communaute anglo-saxonne. Ainsi, dans deux sujets de PhysicsStackExchange (ici et la) ayant attrait a la question "pourquoi des charges de signes opposes s'attirent et de meme signe se repoussent", aucune réponse (a part la mienne qui a eu le droit a un "-1" et celle d'une expérimentatrice qui s'est focalise sur l'aspect modélisation) n'a propose d'explication "classique" qui utilise autre chose qu'une vague notion d'échanges de photons qui par magie fait apparaitre l'interaction de Coulomb.

Je m'étonne vraiment (et m'inquiète un peu) du fait que dire "ba va regarder dans le Zee, il suffit de calculer le diagramme de Feynman au premier ordre et on trouve Coulomb" semble une explication a la fois valide d'un point de vue physique mais aussi d'un point de vue euristique et pédagogique.

Pour ma part, meme si je connais différentes versions de calculs de QED permettant d'obtenir Coulomb, leur interpretation physique semble traitement dependant (échanges de photons virtuels (transverses?) par la méthode des diagrammes de Feynman associés a la matrice S de collision, échanges de photons scalaires au deuxième ordre de la théorie des perturbations pour determiner l'énergie de l'état fondamental du vide EM en presence de deux charges fixes en formulation manifestement covariante de la QED, interaction directe instantanée entre deux charges provenant de la composante longitudinale du champ électrique en jauge de Coulomb etc...).

Par ailleurs, dans la plupart des calculs impliquant des échanges de particules, il ne me semble pas qu'on y gagne une comprehension plus profonde (au sens de tangible et non pas technique) du comment ou pourquoi le caractère attractif ou répulsif depend du produit des charges.

Bref, je pense personnellement qu'il n'est pas très sain que seule une interpretation (qui me semble être une explication parmis plein d'autres) tende a dominer surtout lorsque son caractère "explicatif" me semble plus que bancal.

Quelle est votre opinion a ce sujet ?

Merci d'avance pour votre contribution.
-----

[Christian Arnaud]

bonjour gatsu,

suite à ton indication, j'ai regardé ce fil, et ma surprise vient plutôt du fait du décalage entre les enseignements de la physique dans les deux pays : aborder la physique atomique en même temps que des éléments beaucoup plus basiques comme l'impulsion par exemple ou la notion de champ classique.
D'un autre côté, ayant travaillé pour une boîte anglaise pendant plusieurs années, j'avais déjà été surpris par leur niveau de connaissance technologique orientée pratique (beaucoup connaissaient par exemple les différents types de moteurs thermiques et leur formule de calcul de la puissance, même sans avoir fait de longues études) ; alors, finalement, donner un aperçu de la physique atomique en s'appuyant sur les échanges de particules virtuelles pour les forces élémentaires (et les transferts de quantité de mouvement correspondants) me semble dans la même lignée concrète : c'est plus palpable que de théoriser avec les champs quantiques
En corollaire, je n'ai encore jamais vu d'explication par échange de particules virtuelles des forces d'attraction La répulsion, c'est facile : les particules en interaction se tirent dessus, donc s'écartent Mais quelle explication similaire pour l'attraction ? (j'ai bien ma petite idée, mais ce n'est pas mûr).

A+

[gatsu]

Merci Christian d'être passe par la .

bonjour gatsu,
alors, finalement, donner un aperçu de la physique atomique en s'appuyant sur les échanges de particules virtuelles pour les forces élémentaires (et les transferts de quantité de mouvement correspondants) me semble dans la même lignée concrète : c'est plus palpable que de théoriser avec les champs quantiques

Si les interactions émergeant des echanges de particules en théorie quantique des champs pouvaient s'interpreter comme un echange de balles de ping pong, je serais tout a fait d'accord avec toi....sauf que

En corollaire, je n'ai encore jamais vu d'explication par échange de particules virtuelles des forces d'attraction La répulsion, c'est facile : les particules en interaction se tirent dessus, donc s'écartent Mais quelle explication similaire pour l'attraction ? (j'ai bien ma petite idée, mais ce n'est pas mûr).

comme tu le dis, il est assez difficile d'imaginer avec notre experience commune d'echanges de balles de toute sorte, comment une attraction peut apparaitre par echange de particules et c'est bien mon problème principal (tout comme le fait de relier ca avec la mecanique standard que les élèves apprennent en premiere et terminale; conservation de l'enneige tout ca tout ca).
Cela est peut être (ou sans doute) possible, mais il faut remodeler un peu la manière dont les gens apprehendent les choses. Par exemple on peut obtenir une attraction en s'échangeant des balles si on vit sur un cercle. Il y a deux trajets possibles pour envoyer une balle (un signal en general) entre deux points : un court et un long (sauf si ils sont diamétralement opposes). Si, en fonction du signe de la charge des agents, les signaux sont envoyés soit par le chemin court entre eux soit par le chemin long, cela conduit respectivement a un comportement répulsif ou attractif.

[Christian Arnaud]

En poursuivant la lecture de ton document, je suis frappé de l'adhérence aux aspects pratiques :

- p 9 , à propos des circuits électriques, de l'énergie et de la puissance électrique : lien immédiat avec le courant nécessaire à fournir au démarreur électrique d'une automobile .

- p 13 (3-3) : mise en exergue des talents pratiques.

-on voit aussi : l'oeil, l'oreille, le scanner médical

Pour revenir sur les forces : électromagnétique, faible et forte sont effectivement présentées en s'appuyant sur l'échange de particules virtuelles. Cependant, la gravitation ne fait pas appel au graviton, sans doute à cause de Newton


Dans les noms, bien entendu, beaucoup de britanniques : Newton, Rutherford (mais pas de Bohr, Hubble, Thomson

Pour conclure un objectif d'efficacité et une culture toute britannique Mais je crois bien que nous avons aussi les mêmes travers, notamment sur l'histoire et les principes démocratiques : nous parlons de Montesquieu pour la séparation des pouvoirs alors que Locke l'avait déjà formalisé 50 ans avant, et les britanniques avaient un parlement national bien avant nous aussi

Cela est peut être (ou sans doute) possible, mais il faut remodeler un peu la manière dont les gens apprehendent les choses. Par exemple on peut obtenir une attraction en s'échangeant des balles si on vit sur un cercle. Il y a deux trajets possibles pour envoyer une balle (un signal en general) entre deux points : un court et un long (sauf si ils sont diamétralement opposes). Si, en fonction du signe de la charge des agents, les signaux sont envoyés soit par le chemin court entre eux soit par le chemin long, cela conduit respectivement a un comportement répulsif ou attractif.

Merci pour cet exemple du cercle je vois que tu avais déjà réfléchi à la question Et après tout, le propagateur du photon n'indique que la probabilité d'aller d'un point à un autre, sans préciser le chemin bien entendu

Enfin, dans un autre fil, tu posais la question de la réciproque d'un théorème concernant des opérateurs qui commutent et des vecteurs propres communs, j'ai trouvé quelquechose qui prend en compte la dégénescence, effectivement comme le signalait Deep-Turtle, et par flemme, je le mets ici :

7.3. Observables qui commutent
7.3.1. Th´eor`eme 1
“Si deux observables A et B commutent, on peut toujours trouver un syst`eme de vecteurs propres communs et r´eciproquement”.
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Observables 269 Soit|φα n un ket propre de A avec la valeur propre an, A|φα n = an|φα n (4.137) Comme A et B commutent, il vient : AB|φα n = BA|φα n = anB|φα n (4.138) soit : A(B|φα n )=an(B|φα n ) (4.139) B|φα n est donc ket propre de A avec la mˆeme valeur propre an. On distingue alors deux cas :
* an est une valeur propre non d´eg´en´ er´ee : Dans ce cas |φα n et B|φα n ne peuvent diff´erer que par un facteurmultiplicatif, l’indice α n’est plus n´ecessaire et on a : B|φn = bn|φn (4.140) |φn qui est ket propre de A avec la valeur propre an est aussi ket proprede B avec une valeur propre bn g´en´eralement diff´erente de an.
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Observables 270
* an est une valeur propre d´eg´en´ er´ee : Dans ce cas B|φα n appartient au sous-espace de d´eg´en´erescence ξnsous-tendu par les {|φα n }. ξn est donc invariant sous l’action de B.Soit χβn,m¬les vecteurs propres de B, de valeur propre bm contenus dansξ n. On a : B χβn,m¬= bm χβn,m¬ (4.141)L’indice β distingue les diff´erents vecteurs propres correspondant ` a bm lorsque cette derni`ere est d´eg´en´ er´ee. χβn,m¬est ket propre de B avec la valeur propre bm, comme il appartient` a ξn il est ´egalement ket propre de A avec la valeur propre an : il est donc ket propre commun ` a A et B.


C'est un peu brut de fonderie, désolé, mais je dois aller arroser mes plantations; j'ai eu plus de 30° cet après-midi Je ne peux pas te donner directement le lien ; c'est un ouvrage que j'ai téléchargé à partir du site utilisé par Deedee.

A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[coussin]

Le seul avantage que je vois à cette interprétation en termes de particules échangées est de souligner que l'interaction "se propage" à la vitesse de la lumière. C'est tout. Essayer d'expliquer la répulsion et l'attraction avec ça est vain (et ce n'est jamais fait en QED. Le caractère attractif ou répulsif se déduisant seulement du signe de l'énergie d'interaction).

[Christian Arnaud]

Le seul avantage que je vois à cette interprétation en termes de particules échangées est de souligner que l'interaction "se propage" à la vitesse de la lumière. C'est tout. Essayer d'expliquer la répulsion et l'attraction avec ça est vain (et ce n'est jamais fait en QED. Le caractère attractif ou répulsif se déduisant seulement du signe de l'énergie d'interaction).

oui, vitesse de la lumière car ce sont des photons ; mais en suivant quelle trajectoire ? on connait les points de départ et d'arrivée, mais entre les deux ? ce n'est aucun des trois opérateurs (création, absorption, propagation) qui le précisera, n'est-ce pas ?

[coussin]

Vouloir plaquer des notions intuitives (trajectoires) sur des processus virtuels est également vain. Je sais que cette réponse peut être non satisfaisante mais c'est ainsi.

[gatsu]

Le seul avantage que je vois à cette interprétation en termes de particules échangées est de souligner que l'interaction "se propage" à la vitesse de la lumière. C'est tout.

Est ce que c'est vrai meme si les particules sont virtuelles ? Si je me représente le diagramme de Feynman au deuxième ordre pour une collision entre une charge + et une charge -, la ligne du photon est verticale i.e. a un seul instant ? Du coup ca m'a l'air d'être une peu instantané tout ca non ?

[Christian Arnaud]

Vouloir plaquer des notions intuitives (trajectoires) sur des processus virtuels est également vain. Je sais que cette réponse peut être non satisfaisante mais c'est ainsi.

c'est toi qui a parlé de propagation en premier, non ? et puis, ce ne sont pas des processus virtuels, mais des photons virtuels ; et on les qualifie de virtuels car pour le moment on ne les intercepte pas, monsieur, "je sais tout"

[coussin]

Est ce que c'est vrai meme si les particules sont virtuelles ? Si je me représente le diagramme de Feynman au deuxième ordre pour une collision entre une charge + et une charge -, la ligne du photon est verticale i.e. a un seul instant ? Du coup ca m'a l'air d'être une peu instantané tout ca non ?

Je ne sais pas. Je sais que ça dépend des jauges qu'on choisit. Certaines jauges donnent des diagrammes avec des photons instantanés. D'autres diagrammes rétablissent le caractère retardé au final.

[stefjm]

Vouloir plaquer des notions intuitives (trajectoires) sur des processus virtuels est également vain. Je sais que cette réponse peut être non satisfaisante mais c'est ainsi.

La trajectoire et le rayon lumineux associée sont des notions bien peu définies.

[Christian Arnaud]

Cela est peut être (ou sans doute) possible, mais il faut remodeler un peu la manière dont les gens apprehendent les choses. Par exemple on peut obtenir une attraction en s'échangeant des balles si on vit sur un cercle. Il y a deux trajets possibles pour envoyer une balle (un signal en general) entre deux points : un court et un long (sauf si ils sont diamétralement opposes). Si, en fonction du signe de la charge des agents, les signaux sont envoyés soit par le chemin court entre eux soit par le chemin long, cela conduit respectivement a un comportement répulsif ou attractif.

Bonjour gatsu,

je rebondis sur cette image que tu as proposée : on aurait le même phénomène si ,localement, les géodésiques de l'espace temps étaient de forme circulaire ou de boucle, non ?

[coussin]

On va encore me taxer de monsieur je-sais-tout mais ça ne marche pas d'expliquer la répulsion Coulombienne en terme de transfert d'impulsion des photons virtuels échangés. Il est facile de voir que ça donne quelque chose d'infini et indépendant de la distance...

[Christian Arnaud]

. Il est facile de voir que ça donne quelque chose d'infini et indépendant de la distance...

Tu as sans doute raison, et j'ai du louper un épisode

Moi, j'en étais encore à :
- proba d'émission du photon proportionnelle à la charge (coeff de couplage)
- proba d'aller d'un point à un autre en 1/r² (propagateur du photon)
- et proba d’absorption également proportionnelle à la charge
ce qui donne l'essentiel de la loi de Coulomb.

Mais tu as sans doute une autre approche ?

A+

[coussin]

On va encore me taxer de monsieur je-sais-tout mais le propagateur du photon n'est pas en 1/r2 me semble-t-il...

[Christian Arnaud]

On va encore me taxer de monsieur je-sais-tout mais le propagateur du photon n'est pas en 1/r2 me semble-t-il...

ok, je suis allé un peu vite, il faut dériver, comme indiqué ici, sur le site de NormaleSup, on peut lire ça :
Deux électrons interagissent par interaction électromagnétique en échangeant des photons, de la même manière que deux joueurs de tennis s'échangent une balle. Prenons deux électrons séparés par une distance donnée. Le diagramme de Feynman d'interaction électromagnétique entre ces deux électrons se décompose en trois diagrammes élémentaires : le premier électron émet un photon à un premier point de l'espace-temps, le photon se propage, le photon est absorbé par le deuxième électron à un deuxième point de l'espace-temps. La probabilité d'émission du photon est proportionnelle à la charge de l'électron ; la probabilité de propagation du photon additionnée pour toutes les paires possibles de points de l'espace-temps est inversement proportionnelle à la distance dans l'espace entre les deux électrons ; la probabilité d'absorption est proportionnelle à la charge de l'électron. L'énergie de l'interaction entre les deux électrons est donc proportionnelle au carré de la charge de l'électron et inversement proportionnelle à la distance.

Pour calculer la force de l'interaction, il suffit de faire varier la distance entre les deux électrons et de calculer la variation de leur énergie d'interaction. Puisque l'énergie est proportionnelle à l'inverse de la distance, sa variation est inversement proportionnelle au carré de la distance. On retrouve ainsi, par les diagrammes de Feynman, la force électrostatique qui s'exerce entre deux électrons, elle est proportionnelle aux deux charges et inversement proportionnelle au carré de la distance : c'est la loi de Coulomb.





A+

[Amanuensis]

Pas de lien pour "ici"

Par ailleurs je ne vois pas trop ce qui permet de classer le texte ailleurs que sous "hand waving".

[Christian Arnaud]

lien ens, pour ceux qui sont dubitatifs :http://http://www.diffusion.ens.fr/vip/pageD01.html

[Amanuensis]

Toujours intéressant de voir le contexte d'un texte extrait...

Le lien fourni fait passer inutilement par un site dont le propos est, disons, sans intérêt pour moi. (J'utilise Ghostery, qui évite de se faire avoir...)

Le lien direct: http://www.diffusion.ens.fr/vip/pageD01.html

[Christian Arnaud]

Toujours intéressant de voir le contexte d'un texte extrait...

Le lien fourni fait passer inutilement par un site dont le propos est, disons, sans intérêt pour moi. (J'utilise Ghostery, qui évite de se faire avoir...)

Le lien direct: http://www.diffusion.ens.fr/vip/pageD01.html

Et alors ?

[Amanuensis]

Je ne comprends pas la question.

[Christian Arnaud]

Je ne comprends pas la question.

ben, tu te perds dans des détails secondaires, mais aucune réponse sur le fond

Si tu n'es pas d'accord avec NormaleSup, expliques toi avec les rédacteurs directement, moi, je ne suis rien là-dedans

[Amanuensis]

Je suis resté courtois, pourquoi ce ton désagréable?

[gatsu]

Bonjour gatsu,

je rebondis sur cette image que tu as proposée : on aurait le même phénomène si ,localement, les géodésiques de l'espace temps étaient de forme circulaire ou de boucle, non ?

oui on aurait cela en effet mais je ne pense pas que cela soit nécessaire. En fait les explications par échange de particules me conviennent rarement car dans le quotidien si deux personnes s'échangent une balle, alors l'un a la balle et l'envoi a l'autre et ainsi de suite. Pour des charges, la question suivante serait donc : qui a la balle au depart i.e. qui a un peu plus d'énergie que l'autre pour avoir un photon (virtuel) en reserve et l'envoyer sur son voisin.

La question n'a malheureusement pas beaucoup de sens pour des photons meme si elle est fondamentale dans un jeu de balle. L'idée qui me semble importante ici et qui est oubliée dans les descriptions a la va vite avec echanges de particules c'est qu'il faut plutôt voir les photons comme des "munitions" a disposition de particules chargées dans tout l'espace qui les entoure. Il n'y a donc pas un seul photon detenu au pif par une des charges qui va l'envoyer a l'autre mais deux charges "joueuses" qui tapent au pif dans les balles/photons qui les entourent.

C'est la qu'intervient l'element crucial qui conduit au caractère attractif ou répulsif de l'interaction électromagnétique : la deformation du champ électromagnétique et l'énergie du champ correspondant.

Lorsque les charges sont de meme signe, la deformation du champ EM est maximale entre les charges et l'énergie totale du champ EM (par rapport au cas ou les charges sont infiniment éloignées) est majoritairement contenue dans la region qui les separent directement. Comme on peut relier densité d'énergie et densité de photons (au moins qualitativement), on peut donc en déduire que la concentration en balles/photons est plus grande entre les deux charges que derrieres elles; il est donc plus probable d'envoyer un photon directement dans la direction de l'autre charge et par conservation de l'impulsion, on obtient une repulsion effective.

Dans le cas ou les charges sont opposées, la deformation du champ EM est minimale entre les deux charges et assez grande derriere elles. Du coup la densité d'énergie est plus importante derriere que devant et donc les charges vont plus favorablement envoyer des photons dans la direction opposée a la position de l'autre charges; conduisant ainsi a une attraction effective.

Note que cette interpretation est similaire a l'interpretation usuelle de l'effet Casimir. C'est normal car au final l'element crucial de modélisation dans l'effet Casimir est 1) une mer de photons (dus aux fluctuations quantiques du champ EM) et 2) conditions aux bords que le champ EM (y compris fluctuant) doit satisfaire et comment cela se répercute sur les modes autorises et l'énergie du champ EM ou alternativement la pression de radiation ou alternativement le tenseur énergie-impulsion.

La c'est exactement pareil sauf que les conditions aux bords pour deux charges ponctuelles séparées par une distance ne sont pas les memes que deux plaques neutre et du coup on a par exemple une dependence en la distance qui n'est pas la meme et le signe de l'interaction qui depend du signe du produit des charges.

[Amanuensis]

Ce type d'explication consiste, il me semble, à:

1) Utiliser l'explication "classique" par le champ sans s'occuper des "photons" ;

2) plaquer ensuite les photons comme une sorte de discrétisation dont le champ est une sorte de "moyenne"


"L'explication" par échange se veut une explication "première", dans laquelle le champ n'est pas un concept nécessaire, mais dérivé.

[Christian Arnaud]

oui on aurait cela en effet mais je ne pense pas que cela soit nécessaire.

Ah, zut, j'ésperais que tu allais m'embarquer dans un Kaluza-Klein avec 5ème dimension électromagnétique enroulée Mais, bon, la piste de la déformation du champ EM me semble intéressante aussi

[Amanuensis]

Il n'y a pas plus de notion de "déformation du champ EM" que ce qu'expriment les lois de Maxwell, il me semble.

[Christian Arnaud]

Il n'y a pas plus de notion de "déformation du champ EM" que ce qu'expriment les lois de Maxwell, il me semble.

Tu veux pas préciser à qui tu t'adresses ? (c'est juste par humilité ou couardise, je préférerais que ce soit Gatsu qui réponde

[Amanuensis]

C'est un forum public, pas de tchat. Je m'adresse à tout lecteur.

S'il y a une question, une réponse est attendue. S'il n'y a pas de question, aucune réponse n'est attendue (ce qui n'interdit pas, évidemment, de rebondir sur (y réagir, la commenter) une intervention sans question).

(Au passage, il n'y a pas eu de réponse au message #23, où il y avait une question.)

[Christian Arnaud]

C'est un forum public, pas de tchat. Je m'adresse à tout lecteur.


(Au passage, il n'y a pas eu de réponse au message #23, où il y avait une question.)

Réponse : parce qu’elle n'était pas adressée