Comment interpréter la nature des objets en physique ?

[invite51d17075]

les quarks sont reliés entre eux par la force nucléaire forte ( via les gluons ).
donc leur cohésion n'a rien à voir avec la force faible.

la masse du proton ( et du neutron ) a peu de chose à voir avec les masses des quarks ( dont je doute qu'on ai une idée précise )
elle provient surtout de leur énergie de liaison.
par ailleurs, je ne vois pas comment faire un calcul à base du principe d'incertitude sur les quarks.....
ni en quoi il apporte qcq chose à la discussion.

du fait, je sors de ce fil.
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[Deedee81]

Je n'ai malheureusement pas compris le calcul avec la version relativiste...
Aurais-tu STP la possibilité de me montrer pas-à-pas comment trouver le bon résultat ? Pour l'électron et pour les quarks ?

Je manque de temps, mais c'est vraiment tout simple : utilise le principe d'incertitude avec l'impulsion au lieu de la vitesse (c'est même la forme habituelle en fait).
Et une fois que tu as ça, tu as la vitesse en utilisant p = m*v*gamma (le gamma relativiste).
(bon d'accord, la relation est pas facile à inverser mais tu peux le faire par essais/erreurs)

[Deedee81]

par ailleurs, je ne vois pas comment faire un calcul à base du principe d'incertitude sur les quarks.....

comme pour l'électron. Mais la masse des quarks étant beaucoup plus grande que celle d'un électron, il reste sagement dans un volume plus petit que l'électron

[invite51d17075]

@Deedee:
on ne sait isoler un quark.
les masses données dans les ref correspondent à leur équivalent "énergie".
du fait ( je cite wiki ) :
Le fait que l'on ne puisse pas isoler de quark rend la mesure de leur masse extrêmement approximative (voir les fourchettes d'erreur sur le tableau). Il n'est même pas clair que la notion de masse d'un quark puisse avoir un sens bien défini.

[stefjm]

la masse du proton ( et du neutron ) a peu de chose à voir avec les masses des quarks ( dont je doute qu'on ai une idée précise )
elle provient surtout de leur énergie de liaison.

Edit : croisement
Ça dépend un peu desquels :
• u : 1,5 à 4,0 MeV.c^-2
• d : 4 à 8 MeV.c^-2
• s : 80 à 130 MeV.c^-2
• c : 1,15 à 1,35 GeV.c^-2
• b : 4,1 à 4,4 GeV.c^-2
• t : 173,34 ± 0,76 GeV.c^-2

[Deedee81]

Il n'est même pas clair que la notion de masse d'un quark puisse avoir un sens bien défini.[/I]

Si, si, pas de problème (même si leur mesure est difficile).

[Amanuensis]

En l'absence de possibilité de quark libre, il est difficile de dire que la notion de masse soit aisée à définir. Je ne veux pas dire qu'elle ne l'est pas, juste que ce n'est certainement pas aussi simple à définir que pour l'électron par exemple.

[invite51d17075]

d'où de manière corrélée, des chiffres surtout pour les quarks u et d qui nous concernent ici avec une incertitude du simple au double ou triple.
et je ne vois pas toujours pas le rapport avec la choucroute, compte tenu de la nature de leur liaisons.

[coussin]

Tout dépend de quels quarks on parle pour la masse...
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Current_quark
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Constituent_quark

[andretou]

Pour appliquer le principe d'incertitude aux quarks du neutron, en première approximation je propose de considérer la fourchette de masse indiquée par Wikipedia (et rappelée par Stefjm)
• u : 1,5 à 4,0 MeV.c-2
• d : 4 à 8 MeV.c-2



Pour m = 1,5 MeV/c², je trouve
Pour m = 8 MeV/c², je trouve (c'est proportionnel)

Dans tous les cas, l'incertitude sur la vitesse des quarks est supérieure à c.
A priori, il y a un problème...
Pouvez-vous SVP vérifier si mes calculs sont corrects ?

[mach3]

Merci de faire le calcul relativiste, en utilisant et en considérant

On en tire l'incertitude sur , et l'application d'un argsinh donnera la vitesse.

Que ce soit les quarks ou l'électron, l'incertitude sera de toute façon très importante. Le problème n'est pas là. La solution est dans la façon d'interagir. L'interaction forte possède des particularités par rapport à l'interaction EM.

m@ch3

[andretou]

Merci de faire le calcul relativiste, en utilisant et en considérant

On en tire l'incertitude sur , et l'application d'un argsinh donnera la vitesse.

On a donc :

d'où :
d'où :

Là, je sais vraiment pas comment résoudre... Quelqu'un de plus dégourdi que moi peut-il se dévouer et montrer la solution pour et v ?

Que ce soit les quarks ou l'électron, l'incertitude sera de toute façon très importante. Le problème n'est pas là. La solution est dans la façon d'interagir. L'interaction forte possède des particularités par rapport à l'interaction EM.

Je suis surpris. Selon toi, le principe d'incertitude doit prendre en compte la force qui s'exerce sur la particule ? De quelle façon ? Cela ne reviendrait-il pas à limiter le champ d'application du principe d'incertitude, donc à redéfinir le principe d'incertitude lui-même ?

[mach3]

On a donc :

d'où :
d'où :

Là, je sais vraiment pas comment résoudre... Quelqu'un de plus dégourdi que moi peut-il se dévouer et montrer la solution pour et v ?

l'incertitude est sur le produit , et pas seulement sur v.

Je suis surpris. Selon toi, le principe d'incertitude doit prendre en compte la force qui s'exerce sur la particule ? De quelle façon ? Cela ne reviendrait-il pas à limiter le champ d'application du principe d'incertitude, donc à redéfinir le principe d'incertitude lui-même ?

non, c'est juste que l'interaction forte confine les particules portant une charge de couleur, comme les quarks et les gluons, du coup ils se retrouvent piégés dans de petits volumes, ce qui implique une impulsion élevée (donc une vitesse élevée). Les états liés par interaction forte sont particuliers par rapport aux états liés par interaction EM ou autre : la masse (l'énergie) de l'ensemble est plus élevée que la masse des constituants (c'est l'inverse pour les autres interactions), parce qu'il y a une énergie cinétique énorme dans le bilan qui n'est pas compensée par l'énergie potentielle (négative et supérieure en valeur absolue à l'énergie cinétique pour les autres interactions). Cela est du au confinement.
Quand on a un état lié par interaction EM, si on donne de l'énergie, on affaibli, voire casse, le lien, la masse de l'ensemble augmente et on va vers un état de moins en moins lié (l'énergie donnée augmente à la fois l'énergie potentielle et cinétique). Alors que lorsque l'on donne de l'énergie a un état lié par interaction forte, elle est utilisée non pas pour affaiblir la liaison, mais pour créer de nouvelles paires quark-antiquark liées : le confinement empêche la séparation des quarks (qui portent une charge de couleur), donc l'énergie ne peut pas être utilisée pour affaiblir le lien.

Pour conclure, avoir des quarks relativistes dans le petit volume d'un nucléon n'est pas choquant (et même normal, obligatoire, cause confinement des charges de couleur), contrairement à un électron relativiste qui resterait dans un proton pour former le neutron.

m@ch3

[andretou]

Mais dans le cas de la capture électronique (quand un électron est absorbé par un noyau), que devient l'électron ?
S'il n'est pas dans le noyau, où est-il ? Faut-il admettre qu'il s'est "volatilisé" en ne laissant derrière lui que sa charge, son énergie et son nombre leptonique ?
Ou peut-on considérer qu'il est dans le noyau, dans une sorte d'état "imbriqué" avec un quark (un quark down serait alors un quark up "imbriqué" avec un électron) ? Selon vous, une telle interprétation est-elle compatible avec ce que nous savons des quarks (et des électrons) ? Ou pas ?

[Amanuensis]

Mais dans le cas de la capture électronique (quand un électron est absorbé par un noyau), que devient l'électron ?
S'il n'est pas dans le noyau, où est-il ? Faut-il admettre qu'il s'est "volatilisé" en ne laissant derrière lui que sa charge, son énergie et son nombre leptonique ?

Oui

Ou peut-on considérer qu'il est dans le noyau, dans une sorte d'état "imbriqué" avec un quark (un quark down serait alors un quark up "imbriqué" avec un électron) ? Selon vous, une telle interprétation est-elle compatible avec ce que nous savons des quarks (et des électrons) ? Ou pas ?

Ne l'est pas.

[mach3]

La capture électronique relève du même type d'interaction que la désintégration béta.

Dans la capture électronique, un quark up et un électron échangent un W (soit un W- qui vient de l'électron, soit un W+ qui vient du quark, soit toute combinaison linéaire des deux), ce qui les change en quark down et en neutrino.

Dans la béta+, un quark up émet un W+, qui se désintègre en positron et en neutrino

Dans la béta-, un quark down émet un W-, qui se désintègre en électron et en antineutrino

Pour les 3 c'est le même diagramme de Feynman, simplement tourné d'un coté ou d'un autre.

On peut même en imaginer d'autres (mais ce sont parfois des phénomènes très rares) :

-un neutrino qui échange un W avec un quark down, ce qui les change en électron et quark up (c'est une béta- "forcée", ça se produit dans des conditions cataclismiques où il y a vraiment beaucoup de neutrinos)

-un antineutrino qui échange un W avec un quark up, ce qui les change en positron et quark down (béta+ "forcée")

etc

m@ch3

[andretou]

Mais dans le cas de la capture électronique (quand un électron est absorbé par un noyau), que devient l'électron ?
S'il n'est pas dans le noyau, où est-il ? Faut-il admettre qu'il s'est "volatilisé" en ne laissant derrière lui que sa charge, son énergie et son nombre leptonique ?

Oui

Ou peut-on considérer qu'il est dans le noyau, dans une sorte d'état "imbriqué" avec un quark (un quark down serait alors un quark up "imbriqué" avec un électron) ? Selon vous, une telle interprétation est-elle compatible avec ce que nous savons des quarks (et des électrons) ? Ou pas ?

Ne l'est pas.

Un argument en particulier s'y oppose-t-il ? Lequel ?

[andretou]

La capture électronique relève du même type d'interaction que la désintégration béta.

Dans la capture électronique, un quark up et un électron échangent un W (soit un W- qui vient de l'électron, soit un W+ qui vient du quark, soit toute combinaison linéaire des deux), ce qui les change en quark down et en neutrino.

Dans la béta+, un quark up émet un W+, qui se désintègre en positron et en neutrino

Dans la béta-, un quark down émet un W-, qui se désintègre en électron et en antineutrino

Pour les 3 c'est le même diagramme de Feynman, simplement tourné d'un coté ou d'un autre.

Je suis d'accord, mais le diagramme ne nous dit pas explicitement ce que devient l'électron...

[mach3]

Je suis d'accord, mais le diagramme ne nous dit pas explicitement ce que devient l'électron...

Il se désintègre en W- et en neutrino électronique, ou il est transformé en neutrino électronique en absorbant un W+ (ce qui est équivalent).

m@ch3

[andretou]

Il se désintègre en W- et en neutrino électronique, ou il est transformé en neutrino électronique en absorbant un W+ (ce qui est équivalent).

m@ch3

Je suis d'accord, mais je suis contrarié par les termes "il se désintègre" et "il est transformé"... Derrière ces mots se cache en effet un processus mystérieux que je n'arrive pas à saisir...
En physique quantique, si le phénomène d'intrication est incompréhensible, il reste néanmoins limité à une "simple" question d'information (une mesure sur la particule A nous renseigne instantanément sur l'état de la particule B, la nature des particules A et B n'est pas remise en cause).
En revanche, dans le cas de la désintégration béta (ou de la capture électronique), l'électron change véritablement de nature, il devient autre chose (d'électron il devient non-électron, ou l'inverse), ce qui est quand même plutôt extraordinaire pour une particule élémentaire...
De ce fait, si nous acceptons l'idée que l'électron puisse se transformer spontanément en un non-électron (ou l'inverse), alors qu'est-ce que l'électron au fond ?
Plus brutalement, ne faut-il pas s'étonner que 1 kilo de plumes ne se transforme pas spontanément en 1 kilo de plomb dans la mesure où, comme pour l'électron et le non-électron, il y aurait conservation des paramètres fondamentaux que sont la charge, l'énergie et le nombre leptonique ?

[Amanuensis]

Un argument en particulier s'y oppose-t-il ? Lequel ?

Suffit de regarder la QCD comme «ce que nous savons des quarks»! Et la QCD décrit autre chose, c'est aussi simple que ça.

C'est d'ailleurs un peu contradictoire d'évoquer les quarks dans une description différente de celle proposée par la QCD, car il n'y a pas de signification du concept de quark en dehors de ce qu'en dit la QCD. Soit on les prend ensemble, soit on ne parle pas de quarks!

[Amanuensis]

ce qui est quand même plutôt extraordinaire pour une particule élémentaire...

Faut revoir le concept de particule élémentaire. Ce terme est un mode de description obsolète, y compris l'idée générale consistant à voir tout comme constitué de parties jusqu'à l'indivisible.

La vision moderne est celle de champs avec des modes d'excitation. Avec cette vision les «transformations» discutées posent bien moins de problèmes.

[mach3]

En revanche, dans le cas de la désintégration béta (ou de la capture électronique), l'électron change véritablement de nature, il devient autre chose (d'électron il devient non-électron, ou l'inverse), ce qui est quand même plutôt extraordinaire pour une particule élémentaire...

Elémentaire veut dire pas de structure interne (jusqu'à preuve du contraire), c'est tout. "Changer" pour une particule élémentaire, veut forcément dire "disparaitre". On ne saurait avoir un électron différent d'un autre, sinon c'est qu'il y a une structure, à l'intérieur pour permettre cette différence...

De ce fait, si nous acceptons l'idée que l'électron puisse se transformer spontanément en un non-électron (ou l'inverse), alors qu'est-ce que l'électron au fond ?

l'excitation élémentaire d'un champ, couplé à d'autres champs, champ qui peut donc céder ou recevoir de l'énergie de ces autres champs via ce couplage, opération ayant pour résultat éventuel la disparition et/ou l'apparition d'excitations élémentaires dans l'un ou l'autre de ces champs.

Plus brutalement, ne faut-il pas s'étonner que 1 kilo de plumes ne se transforme pas spontanément en 1 kilo de plomb dans la mesure où, comme pour l'électron et le non-électron, il y aurait conservation des paramètres fondamentaux que sont la charge, l'énergie et le nombre leptonique ?

Il y a des règles pour les transformations, tout ne peut pas instantanément se transformer en tout instantanément comme cela. Faire de la physique c'est pour une bonne part mettre justement en lumière les règles qui régissent les transformations (au sens le plus général, pas forcément restreint à la physique des particules).

m@ch3

[coussin]

De toutes façons, il n'y a pas de particules. Seulement des champs.
Une fois qu'on s'est mis ça dans la tête, ces désintégrations que vous trouvez tellement mystérieuses deviennent presque naturelles.

[andretou]

Elémentaire veut dire pas de structure interne (jusqu'à preuve du contraire), c'est tout.

Je serais d'accord si l'électron était juste une onde, là pas besoin de structure. Mais un électron porte une charge, et il possède une masse. Cela demande bien une certaine organisation interne, donc une structure, quand bien même cette structure serait constituée de champs (comme le font également remarquer Amanuensis et Coussin), non ?

[jacknicklaus]

non ?

non.
(10 caractères)

[andretou]

(par exemple, dans la désintégration neutron -> proton + électron, on montre que l'électron ne peut pas préexister dans le neutron avec un argument utilisant le principe d'incertitude : l'énergie de l'électron serait trop grande et le neutron plus massif qu'il ne l'est).

Un autre argument démontrant que l'électron ne peut pas préexister dans le neutron serait le suivant :
si le proton et l'électron préexistent et cohabitent à l'intérieur du neutron, alors puisque l'électron serait nécessairement en mouvement autour du proton, il produirait un courant électrique ; ce courant électrique induirait un champ magnétique variable qui ferait vibrer le proton, lequel effectuerait ainsi un travail permanent, ce qui est incompatible avec la loi de conservation de l'énergie.
Autrement dit, les lois de l'électromagnétisme seraient ici incompatibles avec le principe de conservation de l'énergie.
A ton avis cet argument est-il valable ?

[Amanuensis]

Le même raisonnement s'appliquerait à l'atome d'hydrogène, et donc n'est pas validé par l'observation.

C'est l'un des constats qui a amené à la physique quantique dans le premier tiers du XXème. À cette échelle, seule la PhyQ permet de raisonner sérieusement sur l'électro-magnétisme, la conservation de l'énergie, et tutti quanti.

[andretou]

Le même raisonnement s'appliquerait à l'atome d'hydrogène, et donc n'est pas validé par l'observation.

C'est l'un des constats qui a amené à la physique quantique dans le premier tiers du XXème. À cette échelle, seule la PhyQ permet de raisonner sérieusement sur l'électro-magnétisme, la conservation de l'énergie, et tutti quanti.

Dans le cas de l'atome d'hydrogène, comme dans le cas du neutron qui serait constitué d'un proton et d'un électron, les lois de l'électromagnétisme semblent en effet incompatibles avec le principe de conservation de l'énergie.
Mais comment la mécanique quantique résout-elle ce paradoxe ?
A tout hasard, puisque la mécanique quantique nous a conduit à renoncer à la structure binaire du neutron (qui ne saurait être constitué d'un proton et d'un électron), est-ce que l'on ne devrait pas également envisager de renoncer à la structure binaire de l'atome d'hydrogène ???

[Deedee81]

Salut,

Mais comment la mécanique quantique résout-elle ce paradoxe ?

Simple : l'électron ne tourne pas autour du proton.
Dans son état fondamental (1s pour l'hydrogène) le moment angulaire orbital de l'électron est nul.

Pour d'autres état (2p par exemple) le moment angulaire n'est pas nul, cela se traduit d'ailleurs par un moment magnétique (analogue classique de la "boucle de courant", bien qu'ici parler de "boucle" serait sacrément abusif, mais c'est vraiment le même rapport en physique classique et quantique entre moment angulaire et moment magnétique).

A tout hasard, puisque la mécanique quantique nous a conduit à renoncer à la structure binaire du neutron (qui ne saurait être constitué d'un proton et d'un électron), est-ce que l'on ne devrait pas également envisager de renoncer à la structure binaire de l'atome d'hydrogène ???

Non, pas du tout. On peut très bien avoir différents cas : structure composite ou pas.
La raison de l'absence d'électron dans le neutron est à rapprocher de la solution évoquée juste ci-dessus : pour la même raison, la position de l'électron ne peut pas être "fixe", elle est "floue" : décrite (de manière probabiliste, bien qu'on ne puisse pas parler d'ignorance : l'électron a intrinsèquement une position imprécise et d'ailleurs si on essaie de le localiser on l'éjecte de l'atome) par la fonction d'onde (de manière qualitative c'est incarné par le principe d'indétermination de Heisenberg).

Or le calcul montre facilement que localisé dans un endroit aussi petit que le neutron, l'électron devrait avoir une quantité de mouvement énorme et serait immédiatement éjecté : l'assemblage ne peut pas se former, le premier état lié (et stable ici) apparait avec.... l'état 1s, l'atome d'hydrogène.

Mais alors pourquoi les quarks, eux, restent-ils dans le neutron ? A cause de l'interaction forte (l'électron y est insensible) et du mécanisme dit de confinement.

Comment savoir si c'est correct ? Hé bien, ça c'est un gros avantage de la quantification : si les énergies en jeu restent inférieur à l'énergie de l'état de base, on peut ignorer la structure.
Ainsi à très faible énergie, l'atome peut être vu comme un tout" : une particule insécable.
A énergie plus grande, typiquement les ordres de grandeur en chimie, on "voit" la structure des atomes : noyau et électrons. Et le noyau est vu comme un tout.
A énergie encore plus grande, le domaine de la physique nucléaire, on voit que le noyau a une structure : protons et neutrons. Le neutron est vu comme un tout.
Et encore plus grand, le domaine des grands accélérateurs, on voit que le neutron est composé de quarks : et on n'y trouve pas d'électrons. Voilà comment on sait que la théorie dit des choses correctes.