Comment interpréter la nature des objets en physique ?

[andretou]

Bonjour à tous
Si un élément A et un élément B interagissent spontanément pour devenir deux éléments C, alors que peut-on conclure quant à la nature de chacun de ces éléments ?
Les interprétations suivantes sont-elles recevables ?
- interprétation 1 : les éléments A, B et C sont fondamentalement de natures identiques, mais sous trois formes différentes (un peu comme la glace, la vapeur et l'eau) ;
- interprétation 2 : en interagissant, les éléments A et B se scindent pour se recombiner : chaque moitié de A et chaque moitié de B s'assemblent pour former un élément C (à l'image de O2 et H2 qui se combineraient pour former 2HO) ;
- interprétation 3 : on ne peut rien conclure quant à la nature de ces objets, à l'image de l'électron et du positron qui se transforment en 2 photons ;
- interprétation 4 : d'autres interprétations sont-elles possibles ?
Merci pour vos réponses
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[Amanuensis]

En physique des particules, on ne raisonne pas seulement, ou même pas principalement, en termes d'objets et de nature d'objet. Un autre aspect est aussi important: les quantités conservées. Au premier chef, l'énergie et la quantité de mouvement, mais différentes charges (électriques, mais aussi leptoniques, et bien d'autres), et le spin. Ces aspects sont présents dans différentes particules, ne sont pas spécifiques à un type de particule particulier.

La «nature» d'une particule est en partie la liste de ses quantités qui vont intervenir dans les conservations. Un électron, c'est une charge électrique -e, une charge leptonique 1, un spin 1/2, et une masse (et donc une énergie et une quantité de mouvement). Un photon, c'est de l'énergie, de la quantité de mouvement et un spin de 1 (et une capacité d'interaction électro-magnétique).

Ce qui s'assemble, se crée, s'annihile, sont ces quantités conservées, plutôt que des «natures de particule». Par exemple électron + positron va s'analyser par la disparition des charges (dont le total était nul avant), mais aussi par la conservation de l'énergie et du spin.

[Deedee81]

Salut,

Complément plus général :

Il arrive que lors d'une expérience on ait un résultat qui autorise diverses interprétations. C'est même assez fréquent (et ici je rajouterais pour le (4) que les objets peuvent être différents et totalement détruit/créé dans l'interaction). Et ça ne concerne pas que la physique des particules. Les exemples sont innombrables.

Dans ce cas, c'est en pratiquant d'autres sortes d'expériences qu'on va pouvoir trancher entre les différentes interprétations.

J'ai des tas d'exemples en tête mais je vais en prendre un concernant la physique des particules et assez connu.

En étudiant la désintégration bêta, les physiciens (autour des années 1930) ont vite compris que c'était une désintégration d'un neutron en un proton et un électron.
Un simple calcul de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie totale montre alors que l'électron doit être émit avec une énergie bien précise.
Mais ce n'était pas ce qui était observé : il y avait un spectre assez large de l'énergie des électrons (il y avait aussi un problème de conservation du moment angulaire).

Deux interprétations étaient possibles :
- l'énergie n'est pas conservée
- il y a une quatrième particule qui intervient et qui emporte le surplus d'énergie, de quantité de mouvement et de moment angulaire.
Pauli postulat le "neutrino" a cette occasion.
(citation : "I have done a terrible thing, I have postulated a particle that cannot be detected")

Comment savoir quelle était la bonne interprétation ? Simple : en détectant ce neutrino. Ce qui fut fait à l'aide des premiers réacteurs nucléaire (gros producteurs de neutrinos).

[andretou]

je rajouterais pour le (4) que les objets peuvent être différents et totalement détruit/créé dans l'interaction.

En chimie, on est habitué au principe de transformation par lequel un objet se transforme en 1 ou 2 autres objets, par exemple un neutron qui se transforme en un proton + un électron (+ un antineutrino).
Mais je n'arrive pas à comprendre le principe de "destruction/création", qui va à l'encontre du sens commun me semble-t-il...
Dans le cas de l'électron et du positron, leur destruction/création peut-elle signifier autre chose que leur transformation en rayonnement ?
La différence entre la transformation et la destruction/création me semble capitale, car dans le cas d'une transformation on peut parler d'objets de mêmes natures (il y aurait alors un lien entre l'électron, le positron et le photon comme il y a un lien entre le neutron, le proton et l'électron, ou entre l'eau, l'hydrogène et l'oxygène), tandis que dans le cas d'une destruction/création, alors par définition il n'y a pas de "généalogie" entre les objets initiaux et les objets finaux. Est-ce ainsi qu'il faut comprendre le principe de destruction/création ? Pourrais-tu STP rectifier et/ou préciser le mécanisme de ce principe ?

Et ça ne concerne pas que la physique des particules. Les exemples sont innombrables.

Pourrais-tu STP donner d'autres exemples ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Amanuensis]

L'équivalent de ce qui se passe en chimie sont les charges.

Simplement, les charges sont (en général) signées, et +1 peut se combiner à -1 pour «annihiler» les charges.

Si on prend positron + électron => neutrino + anti-neutrino, les charges électriques «disparaissent» mais les charges leptoniques restent.

Si on prend u + électron => d + neutrino, les charges électriques sont modifiées sans disparaître (2/3 et -1 remplacés par -1/3 et 0), mais les charges leptonique et baryonique sont inchangées.

Les cas qui paraissent plus bizarre sont e+ + e- => 2 ou 3 photons ; les charges électriques et leptoniques disparaissent, mais l'énergie, la quantité de mouvement et le spin devant être conservés, on obtient des particules de charges nulles mais d'énergie et de spin non nuls.

[jacknicklaus]

Mais je n'arrive pas à comprendre le principe de "destruction/création", qui va à l'encontre du sens commun me semble-t-il...

Absolument, il en va ainsi de toute la mécanique quantique.

Feynman se plaisait dans ses conférences à affirmer que personne, y compris lui, n'y comprenait quelque chose. Il insistait sur le fait que, en dépit de l'absence de tout sens commun dans ces descriptions, celà fonctionnait très bien, avec une précision époustouflante, et que celà seul comptait.

[Deedee81]

Salut,

Mais je n'arrive pas à comprendre le principe de "destruction/création", qui va à l'encontre du sens commun me semble-t-il...

C'est clair que cela va à l'encontre de "l'intuition classique". Mais, bon, c'est un constat et il faut bien l'admettre
(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).

Il semble bien que ce soit ainsi, et dans le formalisme de la théorie des champs c'est même tout à fait naturel puisque les particules sont simplement des perturbations (quantifiées !) de champs.
Et là, la création/destruction de perturbations parait beaucoup plus intuitive.

Pourrais-tu STP donner d'autres exemples ?

Un autre exemple sont les échanges de particules (virtuelles, mais peu importe, elles sont dites virtuelles bêtement parce qu'elles sont échangées et non pas émises vers l'extérieur) dans les interactions : échange de photon (électromagnétisme), de gluons ou de pions de toutes sortes (interaction forte), de bosons W et Z (interaction faible).

Le cas des bosons W et Z (qu'on observe facilement d'ailleurs, ce fut un grand succès de Modèle Standard) est caractéristique car ils sont le médiateurs des forces entre neutrinos et électrons (diffusion des neutrinos, processus utilisé dans les grands détecteurs comme super Kamiokande). Et ces bosons sont beaucoup plus massifs que l'électron (et a fortiori que le neutrino). Ils ne peuvent dont pas être "dans" ces particules et donc ils sont forcément créés et détruits dans le processus.

[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).

Aurais-tu éventuellement un lien vers cette démonstration ?

[Deedee81]

Aurais-tu éventuellement un lien vers cette démonstration ?

Non, mais c'est pas difficile à faire :

- taille du neutron/proton
- utiliser le principe de Heisenberg pour l'électron (Delta_x est forcément inférieur à la taille ci-dessus) => Delta p
- avec Delta p et on a Delta E (avec la masse de l'électron)
- puis tu fais ça plus la masse du proton
Faut peut-être aussi ajouter l'énergie électrostatique (l'électron étant très proche de la charge du proton, forcément ! On peut supposer la charge positive répartie dans la sphère et faire un ch'tit calcul)
Je n'ai jamais fait le calcul moi-même (j'ai juste vu la remarque sur l'argument dans un bouquin, je ne sais plus lequel EDIT grumpf, j'ai fait une petite recherche via google, je trouve pas)
Mais le calcul est intéressant à faire, ne fut-ce que par curiosité.

Si quelqu'un a le courage (là je vais partir et on se reverra dans une bonne semaine, je vais en formation à Paris)

[andretou]

Tu veux dire que le volume du neutron ne permet pas de loger le proton et l'électron ?
C'est bien ça ?

[Amanuensis]

Non. C'est un calcul de masse prenant en compte la vitesse relative minimum que doivent avoir électron et proton, ainsi que l'énergie d'interaction, comparé à la masse mesurée.

En gros, on n'a pas de modèle d'un assemblage proton-électron qui aurait la bonne masse.

[andretou]

Je ne comprends pas. Théoriquement, la masse du neutron permet pourtant au neutron de contenir un proton et un électron.
Si l'électron préexiste et est contenu dans le neutron, doit-il nécessairement avoir une vitesse minimum ? Pourquoi ?

[Amanuensis]

La raison est donnée dans le message de Deedee: le principe d'indétermination et la taille du proton.

Par ailleurs, un neutron ne peut pas être l'assemblage d'un proton et d'un électron, car c'est un fermion alors que l'assemblage serait un boson (comme l'atome d'hydrogène). Faudrait un assemblage de trois fermions, par exemple proton, électron et anti-neutrino (ou trois quarks, ce qu'est le neutron).

[andretou]

Je souhaiterais revenir sur le principe de destruction/création que j'ai du mal à accepter.

C'est clair que cela va à l'encontre de "l'intuition classique". Mais, bon, c'est un constat et il faut bien l'admettre
(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).

Si le calcul basé sur le principe d'incertitude démontre que l'électron ne peut pas se trouver dans le neutron, alors sur quelles hypothèses concernant l'état initial de l'électron (supposément inclus dans le neutron) se fonde ce raisonnement ? Je suppose en effet que certaines hypothèses doivent être formulées concernant l'état initial de l'électron au sein du neutron, telles que sa masse et sa charge.
Or, si l'on s'en tient à ces deux paramètres seulement (la masse et la charge), alors l'électron et le proton peuvent très bien être contenus dans le neutron (la masse du neutron étant en effet supérieure à la somme des masses du proton et de l'électron).
Quelles sont donc les autres paramètres à prendre en compte pour conclure à l'impossibilité pour l'électron (et le proton) d'être contenu dans le neutron ?

[Deedee81]

Salut,

Si le calcul basé sur le principe d'incertitude démontre que l'électron ne peut pas se trouver dans le neutron, alors sur quelles hypothèses concernant l'état initial de l'électron (supposément inclus dans le neutron) se fonde ce raisonnement ?

La phrase est contradictoire. Les deux parties soulignées disent le contraire.

Je suppose en effet que certaines hypothèses doivent être formulées concernant l'état initial de l'électron au sein du neutron, telles que sa masse et sa charge.

La masse et la charge sont des propriétés communes à tous les électrons, pas besoin de supposer pour cela qu'il a un état initial.
Il n'a PAS d'état initial puisqu'il ne pré-existe PAS dans le neutron.

Je ne vois pas trop où est la difficulté de compréhension.
Si je jette un caillou dans une marre, cela provoque des vagues. Ces vagues n'existaient pas avant. Elles n'étaient pas "contenues dans le caillou". En quoi la création des vagues est-elle difficile à accepter pour toi ?

Bon, ici c'est un rien plus compliqué, mais c'est la même idée. En théorie quantique des champs, les "particules" ne sont rien d'autres que des perturbations, des "vagues", dans un champ omniprésent.
Et les champs de différentes natures étant liés, une vague "neutron" peut très bien se scinder en une vague "électron" + une vague "proton".

Or, si l'on s'en tient à ces deux paramètres seulement (la masse et la charge), alors l'électron et le proton peuvent très bien être contenus dans le neutron (la masse du neutron étant en effet supérieure à la somme des masses du proton et de l'électron).
Quelles sont donc les autres paramètres à prendre en compte pour conclure à l'impossibilité pour l'électron (et le proton) d'être contenu dans le neutron ?

La position de l'électron et sa vitesse.
S'il est dans le neutron, alors sa position est au moins aussi précise que la taille du neutron. Cela donne une forte incertitude sur sa vitesse. Donc une énergie cinétique moyenne très élevée.
Si tu fais masse proton + masse électron + énergie cinétique (divisé par c² évidemment), tu obtiens plus que la masse du neutron !!!!

[Amanuensis]

(par exemple, dans la désintégration neutron -> proton + électron,

Juste pour rappeler qu'en toute rigueur cette réaction n'est pas possible. C'est par exemple neutron -> proton + électron + anti-neutrino. (En relation avec ma remarque sur le nombre pair ou impair de fermions.)

La question de la pré-existence porterait alors sur les trois particules et on peut se demander ce qui permettrait à l'anti-neutrino de rester confiné à côté des deux autres.

[Deedee81]

La question de la pré-existence porterait alors sur les trois particules et on peut se demander ce qui permettrait à l'anti-neutrino de rester confiné à côté des deux autres.

C'est encore mieux en effet. Risque pas de rester lier celui-là !

[andretou]

Merci Deedee pour tes explications.

La position de l'électron et sa vitesse.
S'il est dans le neutron, alors sa position est au moins aussi précise que la taille du neutron. Cela donne une forte incertitude sur sa vitesse.

Je suis d'accord.

Donc une énergie cinétique moyenne très élevée.

Là je ne comprends pas. Je peux déduire qu'une forte incertitude sur la vitesse produit une forte incertitude sur l'énergie cinétique. Pourquoi produit-elle une énergie cinétique moyenne très élevée ?

[XK150]

Bonjour ,
Que les spécialistes participants ne m'en veuillent pas si je me trompe , mais ceci avait été démontré dès 1929 par le paradoxe de KLEIN :
https://en.wikipedia.org/wiki/Klein_paradox

[andretou]

La question de la pré-existence porterait alors sur les trois particules et on peut se demander ce qui permettrait à l'anti-neutrino de rester confiné à côté des deux autres.

On est face à un dilemne : soit on refuse d'admettre le principe de destruction/création, et dans ce cas comment en effet expliquer la présence paisible de l'antineutrino au sein du neutron (ou la présence du photon au sein de l'électron, présence manifestée quand l'électron se désexcite) ; soit on admet le principe de destruction/création, mais dans ce cas on est pas loin d'admettre le principe de création ex-nihilo...

[Deedee81]

Là je ne comprends pas. Je peux déduire qu'une forte incertitude sur la vitesse produit une forte incertitude sur l'énergie cinétique. Pourquoi produit-elle une énergie cinétique moyenne très élevée ?

L'état de l'électron est (par exemple) avec une vitesse comprise entre 0 et V, aléatoirement.
(Ce n'est pas une distribution uniforme, c'est une distribution gaussienne, mais peu importe).
La valeur moyenne de la vitesse de l'électron sera donc V/2 (résultat que tu aurais en effectuant un grand nombre de mesures, enfin, bon, la définition classique de valeur moyenne en MQ, et en MQ tu ne peux pas supposer que l'électron a une vitesse précise mais inconnue, c'est le bon vieux "pas de paramètre caché", l'électron a vraiment une distribution aléatoire de vitesse avec une certaine vitesse moyenne).

mais dans ce cas on est pas loin d'admettre le principe de création ex-nihilo...

Mais c'est le cas ! Enfin, presque (y a quand même un neutron avant d'avoir l'électron et l'anti-neutrino, et le proton évidemment).
En quoi ça te gêne ? Je t'ai donné l'exemple des vagues dans l'eau. Elles apparaissent alors que juste avant elles n'existaient pas. En quoi cela te gêne-t-il ?????

A noter que tu parles d'accepter ou refuser le principe de création.
Ca revient en faire à accepter ou pas la mécanique quantique (ces résultats se démontrent avec la théorie quantique des champs, fille de la mécanique quantique).

On peut toujours dire, évidemment, et si la MQ était fausse ?
Mais on ne peut le faire sans au moins une bonne raison (et la théorie quantique des champs est la théorie qui a été le mieux validée expérimentalement de tous les temps, voir par exemple le calcul/mesure du moment magnétique anomal de l'électron. Un véritable record).

Donc, ici je suppose la MQ vraie et donc dans ce cas cette destruction/création en découle et ne pose pas de problème (même conceptuel, à condition d'accepter les étrangetés de la MQ évidemment ).

Bonjour ,
Que les spécialistes participants ne m'en veuillent pas si je me trompe , mais ceci avait été démontré dès 1929 par le paradoxe de KLEIN :
https://en.wikipedia.org/wiki/Klein_paradox

C'est du même genre, en effet.

[coussin]

Il n'y a jamais de création strictement ex nihilo car les champs sont toujours là (ils peuvent éventuellement être vides...)
Ils ont une nature intrinsèque, primordiale (je suis à court de synonymes ) à rapprocher avec l'espace-temps.

[Deedee81]

Il n'y a jamais de création strictement ex nihilo car les champs sont toujours là (ils peuvent éventuellement être vides...)
Ils ont une nature intrinsèque, primordiale (je suis à court de synonymes ) à rapprocher avec l'espace-temps.

En effet. Plus haut j'ai parlé de "champ omniprésent".

[andretou]

L'état de l'électron est (par exemple) avec une vitesse comprise entre 0 et V, aléatoirement.
(Ce n'est pas une distribution uniforme, c'est une distribution gaussienne, mais peu importe).
La valeur moyenne de la vitesse de l'électron sera donc V/2 (résultat que tu aurais en effectuant un grand nombre de mesures, enfin, bon, la définition classique de valeur moyenne en MQ, et en MQ tu ne peux pas supposer que l'électron a une vitesse précise mais inconnue, c'est le bon vieux "pas de paramètre caché", l'électron a vraiment une distribution aléatoire de vitesse avec une certaine vitesse moyenne).

Comment alors détermine-t-on V ? Et est-ce que, doté d'une vitesse moyenne V/2, l'électron possède une énergie trop grande pour être contenu dans le neutron ?

Mais c'est le cas ! Enfin, presque (y a quand même un neutron avant d'avoir l'électron et l'anti-neutrino, et le proton évidemment).
En quoi ça te gêne ? Je t'ai donné l'exemple des vagues dans l'eau. Elles apparaissent alors que juste avant elles n'existaient pas. En quoi cela te gêne-t-il ?????

Si j'ai bien compris le principe de destruction/création, il y a d'abord annihilation du neutron, puis création (du proton, de l'électron et de l'antineutrino). Cela pose la question de savoir 1/ ce que devient réellement le neutron et 2/ comment les proton-électron-antineutrino sont-ils créés (comment entre autres sont créées les charges opposées, ou encore la petite quantité d'antimatière servant à fabriquer l'antineutrino, et tout ça instantanément) ?

Dans le cas des vagues, il n'y a pas cette rupture. Les enchaînements de causes et d'effets ayant pour origine l'énergie cinétique du caillou et aboutissant à la formation des ondes sont parfaitement décrits par les lois de la thermodynamique (l'énergie se conserve, elle ne fait que se transformer). Nous sommes ici dans un système déterministe dans lequel l'état à un instant donné est entièrement déterminé par l'état précédent. Avec le principe de destruction/création nous ne sommes plus dans ce schéma.

A noter que tu parles d'accepter ou refuser le principe de création.
Ca revient en faire à accepter ou pas la mécanique quantique (ces résultats se démontrent avec la théorie quantique des champs, fille de la mécanique quantique).

On peut toujours dire, évidemment, et si la MQ était fausse ?
Mais on ne peut le faire sans au moins une bonne raison (et la théorie quantique des champs est la théorie qui a été le mieux validée expérimentalement de tous les temps, voir par exemple le calcul/mesure du moment magnétique anomal de l'électron. Un véritable record).

Donc, ici je suppose la MQ vraie et donc dans ce cas cette destruction/création en découle et ne pose pas de problème (même conceptuel, à condition d'accepter les étrangetés de la MQ évidemment ).

Non, je ne remets aucunement en cause les résultats de la MQ !
Seulement, depuis la dualité onde-corpuscule jusqu'à la désintégration du neutron en passant par le principe de la superposition d'états, la MQ se contente de constater les phénomènes quantiques sans donner d'explication. J'ai simplement du mal à accepter l'interprétation de certains événements selon le principe de destruction/création. Et c'est pourquoi j'ai besoin d'arguments avant de l'accepter...

[Amanuensis]

Si j'ai bien compris le principe de destruction/création, il y a d'abord annihilation du neutron, puis création (du proton, de l'électron et de l'antineutrino).

D'après le modèle, ce n'est pas le neutron qui «disparaît», mais un quark d qui se transforme en un quark u, en éjectant un électron et anti-neutrino.

[andretou]

D'après le modèle, ce n'est pas le neutron qui «disparaît», mais un quark d qui se transforme en un quark u, en éjectant un électron et anti-neutrino.

En effet ! Du coup, si le neutron se transforme en proton, et si l'électron et l'antineutrino ne sont pas contenus dans le neutron, alors ils sortent d'où cet électron et cet antineutrino ?
J'ai hâte de connaître la démonstration du fait que l'électron ne peut pas être contenu dans le neutron !...

[XK150]

Re ,
En tant que spectateur extérieur à cette discussion , je pense que si vous ne voulez pas admettre que le neutron contient 3 quarks et ce qui les lie ,
que la désintégration concerne cet ensemble , et ceci dans le modèle standard le plus simple de la physique des particules , alors la discussion est vouée à l'échec .

[andretou]

Re ,
En tant que spectateur extérieur à cette discussion , je pense que si vous ne voulez pas admettre que le neutron contient 3 quarks et ce qui les lie ,
que la désintégration concerne cet ensemble , et ceci dans le modèle standard le plus simple de la physique des particules , alors la discussion est vouée à l'échec .

Tu as sans doute raison. Mais faut-il pour autant renoncer à s'interroger sur l'origine des objets physiques élémentaires (comme dans le cas concret de l'électron et de l'antineutrino éjectés par le neutron, ou dans le cas des photons issus de l'interaction électron-positron) ?
On peut effectivement se dire comme beaucoup "c'est comme ça, y a rien à voir, circulez !" ; mais pour d'autres le questionnement est plus fort, et ceux-là tentent laborieusement d'explorer les contours de leur inconnaissance...

[jacknicklaus]

"La mécanique quantique décrit la nature comme absurde du point de vue du bon sens. Mais elle a toujours été vérifiée par l'expérience. J'espère donc que vous pouvez accepter la nature comme elle est : absurde."
[Richard Feynman]

[coussin]

J'ai hâte de connaître la démonstration du fait que l'électron ne peut pas être contenu dans le neutron !...

Franchement, vous trouvez que ça tient la route ?!
Les particules élémentaires ne seraient que des "poupées russes" qui contiennent tous les résultats possibles des collisions (parce que oui : certaines, la plupart d'ailleurs, collisions ont en fait différents résultats pondérés par une certaine probabilité).