Les particules produites par le vide quantique

[Sethy]

Il faut bien comprendre que cette histoire de paires qui apparaissent et disparaissent, on rencontre cette analogie dans les ouvrages de vulgarisation seulement. Personnellement, je n'aime pas cette image. Cette analogie a pour moi le même statut que le fameux drap tendu pour illustrer la courbure de l'espace-temps.

Le traitement rigoureux est très clair mais moins "sexy", c'est sûr... C'est de la QFT de base, l'état vide y est bien défini. On peut calculer des valeurs moyennes de différentes observables dans cet état vide et constater que ces observables ont des dispersions non nulles : elles fluctuent. Point.

Dans le cours que j'avais suivi (organisé au sein d'un club amateur et donné par un ingénieur-physicien), il avait fait référence à ce modèle comme faisant partie de la théorie.

Evidemment, le fait qu'on le retrouvait dans l'effet Hawking (de mémoire, Richard Taillet, l'utilise dans un de ses cours de L1 ou de L2 consacré à la R.G.) me faisait penser que c'était quand même un peu plus qu'une simple vue de l'esprit.

Mais merci pour ces précisions, j'ai appris quelque chose.

Cela confirme la seule chose qui me semble toujours vraie : les choses sont toujours plus complexes que ce qu'on imaginait.
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[andretou]

Parce qu'elles n'apparaissent pas ...

Si les particules produites par le vide n'apparaissent pas, comment peuvent-elles avoir une masse ?

[coussin]

Si les particules produites par le vide n'apparaissent pas, comment peuvent-elles avoir une masse ?

Je ne vois pas le rapport...
Les particules virtuelles possèdent une masse. Mais elles ne sont pas forcément sur la couche de masse, c'est à dire qu'elles ne vérifient pas forcément E²=p²c²+m²c⁴. Les particules réelles doivent, elles, vérifier cette identité.

[Sethy]

Si les particules produites par le vide n'apparaissent pas, comment peuvent-elles avoir une masse ?

Selon toi, de quelle échelle de temps parlons-nous ici ?

Pour te donner une idée, le temps de décohérence des états quantiques, d'un corps de la taille d'une poussière dans l'air ( = très très gros comparé à un électron) est de 10^-36 secondes. Dans le vide intergalactique, ce temps (toujours pour une poussière) est de 10^-6 secondes.

Si on réduit la taille à une grosse molécule, ce temps, dans l'air est de 10^-30 secondes et de plus de 30000 ans dans le vide intergalactique.

Si j'extrapole, je dirais que pour une paire électron-positron, dans l'air, ce temps de décohérence serait de 10^-22 secondes (en prenant le modèle du positronium).

Donc, au regard de ces chiffres, selon toi, la durée de vie totale (apparition + disparition) des particules virtuelles est de quel ordre de grandeur ? 10^-10 secondes, 10^-20, 10^-30, 10^-40 ?

[Sethy]

Si j'ai pris ce temps de décohérence, c'est parce que justement, c'est à ce phénomène que tu fais allusion quand tu évoques le phénomène de superposition.

Ici, un extrait de la page wiki consacré à la décohérence : "La théorie de la décohérence prévoit qu'un certain temps est nécessaire pour que les déphasages s'accumulent, et finissent par rendre négligeables la probabilité des états superposés.

Avec certains modèles simples, mais pertinents, il est possible de calculer les valeurs théoriques de temps de décohérence dans un certain nombre de cas de figure. Les valeurs calculées à l'aide de ces modèles dépendent essentiellement de la grandeur de l'objet considéré et de l'environnement."

Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A...ence_quantique

Donc, en te basant sur l'hypothèse d'un temps de décohérence de 10^-22 secondes pour une paire électron-positon, quelle devrait être la durée de vie des particules virtuelles qui le composent ? De cet ordre de grandeur ? Plus long ? Plus court ? Beaucoup plus long ? Beaucoup plus court ?

[andretou]

Les particules virtuelles possèdent une masse.

Mais alors quelle est la différence entre une particule virtuelle et une particule réelle ?

[Sethy]

Mais alors quelle est la différence entre une particule virtuelle et une particule réelle ?

Bah coussin a été clair, c'est une "vue de l'esprit".

Tu ne réponds pas à ma question ?

[andretou]

Donc, en te basant sur l'hypothèse d'un temps de décohérence de 10^-22 secondes pour une paire électron-positon, quelle devrait être la durée de vie des particules virtuelles qui le composent ? De cet ordre de grandeur ? Plus long ? Plus court ? Beaucoup plus long ? Beaucoup plus court ?

Dans le vide absolu, qu'est-ce qui pourrait provoquer la décohérence ?

[Sethy]

Dans le vide absolu, qu'est-ce qui pourrait provoquer la décohérence ?

Bonne question ... mais pour se donner un ordre d'idée, le "temps de Planck", c'est à dire le temps maximum de "vie" (apparition + disparition) de ces paires virtuelles est inférieur 10^-43 secondes.

Alors que, même dans l'air, le temps de décohérence est de 10^-22 et que j'estime que dans le vide intergalactique, celui-ci serait de 10^18 secondes, soit à peu près le double du temps qui nous sépare du big bang. Pour l'estimation, j'ai gardé un facteur 10^2 par ordre de grandeur et j'ai pris comme base les 32000 ans qui figurent dans le tableau de la page wiki susmentionnée.

Te parait-il logique d'expliquer la disparition d'une paire virtuelle aussi fugace avec un phénomène qui a une vitesse d'escargot ?

[andretou]

le temps maximum de "vie" (apparition + disparition) de ces paires virtuelles est inférieur 10^-43 secondes.

D'où provient cette information ?

[Sethy]

D'où provient cette information ?

D'ici : https://fr.wikipedia.org/wiki/Temps_de_Planck

Je cite "À l'échelle d'une longueur de Planck, une fluctuation quantique peut être suffisamment violente pour créer une particule de Planck pendant la durée d'un temps de Planck.".

[andretou]

D'ici : https://fr.wikipedia.org/wiki/Temps_de_Planck

Je cite "À l'échelle d'une longueur de Planck, une fluctuation quantique peut être suffisamment violente pour créer une particule de Planck pendant la durée d'un temps de Planck.".

Il me semble qu'on ne parle pas de la même chose.

Une particule de Planck, ainsi désignée en hommage au physicien allemand Max Planck, est une particule subatomique hypothétique, définie comme un minuscule trou noir

https://fr.wikipedia.org/wiki/Particule_de_Planck

[Sethy]

Il me semble qu'on ne parle pas de la même chose.

Une particule de Planck, ainsi désignée en hommage au physicien allemand Max Planck, est une particule subatomique hypothétique, définie comme un minuscule trou noir

https://fr.wikipedia.org/wiki/Particule_de_Planck

C'est le seul ordre de grandeur de temps que je connaissais pour de tels phénomènes. Ils sont peut-être plus long.

Il y a peut être moyen de le calculer en imaginant une masse de 50% par exemple comme incertitude sur l'énergie et de là, déduire l'incertitude sur le temps.

En faisant ce calcul, pour une paire d’électron-positron, j'obtiens 10^-21 secondes. A comparer temps de décohérence qui vaut 10^18 secondes dans le vide inter-galactique.

Il y a encore une facteur 10^39.

[andretou]

Je ne vois pas de lien entre le phénomène de la décohérence et la disparition des particules issues du vide.
Disons simplement que la durée de vie de la paire de particules est égale à la durée de vie de la fluctuation ; pendant toute cette durée les particules sont dans un état superposé virtuel-réel.
Si jamais la réduction du paquet d'onde intervient pendant la fluctuation (cas de figure rarissime !), alors :
- soit les particules restent virtuelles (l'énergie n'est pas transformée en masse, la fluctuation ne produit rien),
- soit les particules deviennent réelles (le vide a perdu de l'énergie en leur donnant naissance) et elles ont alors la même durée de vie que toute autre particule...
Encore une fois, je ne vois pas d'autre solution au problème de la "disparition" spontanée des particules produites par le vide...

[stefjm]

C'est le seul ordre de grandeur de temps que je connaissais pour de tels phénomènes. Ils sont peut-être plus long.

Il y a peut être moyen de le calculer en imaginant une masse de 50% par exemple comme incertitude sur l'énergie et de là, déduire l'incertitude sur le temps.

En faisant ce calcul, pour une paire d’électron-positron, j'obtiens 10^-21 secondes. A comparer temps de décohérence qui vaut 10^18 secondes dans le vide inter-galactique.

Il y a encore une facteur 10^39.

Marrant, retour du facteur habituel entre gravitation et électromagnétisme...

[Deedee81]

Salut,

Marrant, retour du facteur habituel entre gravitation et électromagnétisme...

Ben oui puisque c'est la question

A noter que le temps de décohérence ou les temps d'annihilation sont extrêmement variables (avec d'autres exemples Sethy aurait obtenu un "facteur supplémentaire" très différent).

[Sethy]

Je réponds dans le désordre.

- soit les particules deviennent réelles (le vide a perdu de l'énergie en leur donnant naissance) et elles ont alors la même durée de vie que toute autre particule...

Tout à fait. Les particules crées lors des chocs dans le LHC sont bien réelles et vont finir leurs vies dans les différents récepteurs en respectant toutes les lois de conservations et les postulats de la mécaQ.

Si jamais la réduction du paquet d'onde intervient pendant la fluctuation (cas de figure rarissime !), alors :
- soit les particules restent virtuelles (l'énergie n'est pas transformée en masse, la fluctuation ne produit rien),

Effectivement, dans cette vue de l'esprit, l'énergie n'est pas durablement transformée en masse. Mais malgré tout, les fluctuations prises dans leur ensemble ont un impact (cfr par exemple, la charge de l'électron dont je parlais plus tôt).

Je ne vois pas de lien entre le phénomène de la décohérence et la disparition des particules issues du vide.

Bah si, c'est toi qui sous-entend cela en expliquant la fluctuation du vide par une superposition d'états (réduction du paquet d'onde).

Encore une fois, je ne vois pas d'autre solution au problème de la "disparition" spontanée des particules produites par le vide...

C'est peut être parce que la question est mal posée. Et ce n'est pas une boutade.

[Deedee81]

Salut,

J'aimerais d'ailleurs préciser que :

un état superposé virtuel-réel.

N'a guère de sens. On appelle une particule virtuelle une particule qui est créée et détruite pendant le processus physique. Ni plus, ni moins. Et réel l'inverse évidemment.
Un état superposé virtuel-réel est un oxymore.
On peut avoir des états superposés de différentes interactions avec plus ou moins de particules virtuelles mais parler d'une particule qui serait dans un état superposé virtuel / réel n'a pas de sens.

Prenons un exemple :
un photon gamma heurte un atome, une paire électron-positron est créée puis s'annihile.
Cette paire est virtuelle.

Et d'ailleurs le caractère virtuel est souvent artificiel, humain. Exemple : une ampoule électrique émet un photon qui interagit avec du nitrate d'argent d'une plaque photo et laisse une trace.
Si je considère le processus :
- lampe -> émission photon, alors ce photon est "réel"
Si je considère le processus :
- lampe -> émission photon -> absorption par le nitrate d'argent, alors ce photon est virtuel
Et il s'agit de la même expérience.

Il faut donc éviter de donner un caractère quelque peu métaphysique à "virtuel". C'est juste une étiquette plaquée sur certains processus, ni plus ni moins.
Les seules différences entre particule virtuelle et réelle sont :
- leur durée de vie courte, ce qui rend "incertain" (au sens Heisenberg) leur énergie, etc... (ils sortent de la "couche de masse", même un photon peut avoir une masse !)
Alors que les particules réelles sont "supposées" dans le calcul avoir une durée de vie infinie => énergie précise, etc...
Mais évidemment ce n'est qu'une approximation, même les particules dites réelles peuvent être créées ou disparaitre (d'ailleurs un "photon réel" émit dans une collision du LHC est capté par les détecteurs et disparait. C'est comme pour mon ampoule).
- les états intermédiaires du processus ne sont pas observés directement et, comme dans les bons vieux chemins de Feynman dans son cours de MQ où il utilise Young et les deux chemins pour les deux fentes, on doit faire la somme (des amplitudes) de toutes les possibilités (tous les diagrammes de Feynman).

Notons aussi qu'il faut distinguer deux processus liés aux particules virtuelles :
- une chaine d'interaction entre particules réelles (observées et présentes au début et à la fin) et particules virtuelles
Exemples : mon exemple de la paire ci-dessus, le nuage de particules virtuelles autour d'une particules (jouant sur sa masse et sa charge, voir la remarque de Sethy), effet Casimir (échanges de photons virtuels entre les particules chargées des plaques conductrices), effet Hawking (là, l'interaction est est le champ gravitationnel, la théorie quantique des champs en espace-temps courbe est formellement équivalente à la théorie quantique des champs avec graviton à une boucle, voir le livre de Birrel et DAvies sur ce sujet).

L'autre processus est la création / disparition spontanée dans le vide, sans autre interaction avec des particules "réelles".
Ce type de processus est douteux et probablement un abus d'interprétation pour toute une série de raisons :
- le vide quantique est invariant de Lorentz et par translation, cela voudrait dire qu'on devrait avoir de telles particules : partout, en tout point, en tout instant, pour toutes les durées de vie possibles, etc... etc... Ca fait beaucoup et pour finir ça "homogénéise tout"
- Le calcul de l'énergie du vide (qui devrait influencer la gravitation) donne une valeur BEAUCOUP trop grande (le fameux désaccord avec la constante cosmologique)
- Dans tout calcul perturbatif, ces fluctuations dites "diagrammes vide-vide" se factorisent et disparaissent des calculs
- Voir aussi l'excellent article de Zeh : https://arxiv.org/abs/0809.2904 ("Quantum discreteness is an illusion")
Il peut y avoir équivalence formelle entre les diagrammes d'interactions et ceux vide-vide, c'est ce qui permet le calcul habituel de Casimir où on fait la différence de l'énergie du vide dans deux situations. Mais prenons garde de ne pas confondre physique et méthode de calcul.

[andretou]

L'autre processus est la création / disparition spontanée dans le vide, sans autre interaction avec des particules "réelles".
Ce type de processus est douteux et probablement un abus d'interprétation pour toute une série de raisons

Est-ce que tu veux dire que la création spontanée par le vide de particules réelles (quoique de brèves durées de vie) n'est pas un phénomène prouvé ?

[Sethy]

Est-ce que tu veux dire que la création spontanée par le vide de particules réelles (quoique de brèves durées de vie) n'est pas un phénomène prouvé ?

Bah, ça violerait le principe de conservation de l'énergie.

Et on n'aurait pas besoin de construire un accélérateur de particules pour réaliser des collisions.

Il y a un élément intéressant d'ailleurs. Lorsqu'on réalise ces collisions, contrairement à ce que j'aurais pensé a priori, on ne crée pas toujours les mêmes particules. Non, on peut créer à peu près toutes les particules possibles, tant que leurs masses est inférieure à l'énergie totale mise en jeu. Cela me surprenait un peu que quelque soit les particules à l'origine de la collision, toutes ces particules puissent être crées (attention, je ne sous-entends pas que les proportions sont identiques).

C'est l'un des aspects que je trouve justement intéressant avec cette hypothèse des particules virtuelles. Toutes les particules sont la, virtuellement, tout le temps. Et c'est le hasard du moment et de l'endroit où l'énergie est libérée qui permet à l'une ou à l'autre de devenir réelle.

[Deedee81]

Est-ce que tu veux dire que la création spontanée par le vide de particules réelles (quoique de brèves durées de vie) n'est pas un phénomène prouvé ?

Les fluctuations du vide ou diagrammes vide-vide seraient des particules qui apparaissent puis disparaissent. Donc :
- C'est toujours virtuel
- Je pense (comme Zeh) que c'est un abus d'interprétation de l'état du vide (comme le dit Zeh, rien de plus calme que l'état du vide |0> d'énergie constante et stable).
- comme ça apparait, disparait et n'interagit pas avec autre chose (par définition de ce type de fluctuations) : c'est impossible à prouver !!!!!

Par contre l'émission de particules (réelles) comme dans le rayonnement de Hawking ne sont pas de pures fluctuations du vides (on le montre souvent comme ça, hélas). On est dans l'autre types de fluctuations : des particules virtuelles interagissant avec d'autres particules (ici les gravitons ou plus prosaïquement avec le champ gravitationnel).
On a donc un processus :
gravitons -> gravitons + particules émises
(avec entre les deux des créations de paires ou tout ce qu'on veut)

Bref :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Diagramme_de_Feynman
le diagramme en haut à droit (avec particules virtuelles au milieu du diagramme) : oui, oui, oui...
(et contrairement à certains je ne vois pas ça juste comme une simple méthode de calcul)

Et ceux sans particules réelles (que des virtuelles) : non, non, non....

Notons que dans le rayonnement de Hawking :
http://ekladata.com/0zYw6SuLfL2OyOZ-...i8@640x624.jpg

On représente de tels diagrammes purement virtuelles mais en réalité, c'est un peu trompeur, il faut ajouter des lignes "gravitons", c'est l'interaction avec le champ de gravitation du trou noir (sinon on aurait des rayonnements de Hawking dans tous les coins )

EDIT On a la même chose avec Casimir, on parle des fluctuations du vide entre les plaques en oubliant (pour le pauvre profane qui écoute la vulgarisation) que ces fluctuations interagissent avec des électrons des plaques. Ce n'est pas de "'pures fluctuations vide-vide".

[Deedee81]

Et c'est le hasard du moment et de l'endroit où l'énergie est libérée qui permet à l'une ou à l'autre de devenir réelle.

C'est le hasard quantique

Tu as (pour le calcul du processus) une tonne de diagrammes possibles avec deux protons au départ et un tas de particules après.
Et chaque diagramme a une amplitude quantique données (calcul de l'intégralle associée au diagramme)
Pour un résultat donné : somme de tous les diagrammes possibles
=> amplitude => probabilité donnée

Ces calculs sont lourds et compliqués (et particulièrement avec le LHC ou une simple collision peut produire des centaines de particules, c'est ce qu'on appelle des processus inclusifs qui ont leur propres techniques de calculs.... que je connais assez mal d'ailleurs. Je connais mieux ceux "scolaires" du type effet Compton ou annihilation du positronium).

[Sethy]

C'est le hasard quantique

Tu as (pour le calcul du processus) une tonne de diagrammes possibles avec deux protons au départ et un tas de particules après.
Et chaque diagramme a une amplitude quantique données (calcul de l'intégralle associée au diagramme)
Pour un résultat donné : somme de tous les diagrammes possibles
=> amplitude => probabilité donnée

Ces calculs sont lourds et compliqués (et particulièrement avec le LHC ou une simple collision peut produire des centaines de particules, c'est ce qu'on appelle des processus inclusifs qui ont leur propres techniques de calculs.... que je connais assez mal d'ailleurs. Je connais mieux ceux "scolaires" du type effet Compton ou annihilation du positronium).

Evidemment ... il "suffisait" d'y penser. Merci, j'ai encore appris quelque chose.

Durant le cours que j'ai suivi, nous avions calculé la correction du facteur de Landé pour l'électron.