Le mystère des champs

[ecolami]

Bonsoir,
En physique on décrit avec précision les propriétes des champs électriques, magnétique et gravitationnel mais on a aucune idée de ce qui permet une action a distance: on se contente de dire que c'est comme ça!
Ce qui est paradoxal est qu'on décrit parfaitement les ondes electromagnétique comme étant à la fois transportées par une particule et/ou une onde constituée d'une combinaison d'onde électrique et d'onde magnetique. Mais en absence d'onde ou de phénomène périodique on sait plus comment les décrire
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[ThM55]

Je dirais que les champs servent à supprimer l'action à distance. Newton postulait une action à distance. Son compatriote Faraday disait qu'elle n'existait pas, que l'action est transportée de proche en proche par des champs.

[Deedee81]

Salut,

En physique on décrit avec précision les propriétes des champs électriques, magnétique et gravitationnel mais on a aucune idée de ce qui permet une action a distance: on se contente de dire que c'est comme ça!

Les champs, ça n'a rien de magique. Un champ c'est juste une grandeur physique prenant une valeur en tout point de l'espace (ou d'un domaine particulier) et du temps.
Par exemple, la vitesse de l'eau d'une rivière forme un champ de vitesse, la température d'un pays forme un champ de température.
Ni plus, ni moins. Rien de spécial, c'est juste un outil de description.
Et la grandeur physique peut être de différente nature, scalaire (comme la température), vectorielle (comme la vitesse), etc...

Il se fait que pour les effets électriques et magnétiques, on détecte aussi une telle grandeur (vectorielle) en tout point, ce que Faraday avait bien mit en évidence. C'est juste un constat expérimental, ni plus, ni moins là aussi. Comme d'hab en physique (on constate, on mesure, on décrit, on ne cherche pas la "nature des choses"). Et Maxwell a pu mettre cela en équation (Faraday ne connaissait pas les maths) ce qui a donné les résultats fantastiques qu'on connait.

Ce qui est paradoxal est qu'on décrit parfaitement les ondes electromagnétique comme étant à la fois transportées par une particule et/ou une onde constituée d'une combinaison d'onde électrique et d'onde magnetique. Mais en absence d'onde ou de phénomène périodique on sait plus comment les décrire

Ca n'a rien de paradoxal. Là tu passes dans le monde quantique. En sommes tu change de cadre de description. Cadre différent, description différente. C'est tout à fait normal. Si ce n'est que la description classique marche bien sauf.... dans les circonstances où la mécanique quantique devient incontournable. Par exemple, l'effet photo-électrique, le rayonnement du corps noir, le spectre des atomes... tout ça ne peut pas être correctement décrit en physique classique.

Et quant on quantifie un champ.... on a des particules, comme le photon. Mais attention il ne faut pas voir le photon comme une espèce de petit corpuscule. Y a pas plus faux comme image.

Je ne vais pas décrire la méthode de quantification bien que ce ne soit pas si difficile (l'exemple facile, voir wikipedia, est l'oscillateur harmonique. C'est même la base pour le cas des champs, on y retrouve les opérateurs de création, destruction par exemple. Mais on n'en aura pas besoin ici).

Pour donner une description plus facile. L'espace des états physique du champ est appelé espace de Fock, c'est un espace vectoriel et on choisit habituellement la base suivante :
- On a des états à N photons, chaque photon ayant une fréquence et une direction donnée (et une polarisation)
- Un photon de fréquence donnée = une onde (**) sinusoïdale monochromatique d'énergie h.nu (*)

(*) C'est une idéalisation car une onde monochromatique n'est pas normalisable (son énergie est infinie). Mais on peut s'en sortir (on amorti à grande distance, on quantifie dans une boite, etc...)
Des états plus physique peuvent être obtenu par superposition : la somme de deux vecteurs est toujours un vecteur. C'est le reflet du principe de superposition en électromagnétique (la somme de deux ondes est une onde). Et ici on va avoir typiquement des "paquets d'onde" de durée finie, d'énergie finie = h.nu (la fréquence n'est pas parfaitement définie ici, disons la fréquence moyenne), etc...

(**) Ne pas en déduire qu'un photon est une onde classique. Il en est assez approchant, c'est une onde avec une fréquence, avec une longueur d'onde, et des composantes électriques et magnétiques (rappelons qu'en EM, ces deux aspects sont en fait les deux pièces d'une seule face : le champ électromagnétique, une seule entité qui peut se manifester de plusieurs manières) qui peut subir des interférences et tout ça.
Mais c'est aussi un objet quantique avec ses propriétés très particulières : interactions ponctuelles, intrication (l'état de deux photons ne peut en général pas se décrire avec chaque photon séparément).
J'aime toujours dire qu'une particule est une onde pas classique (résumé facile, mais faut bien en faire en vulgarisation). Mais il n'empêche que cela permet de mieux comprendre le lien avec la physique classique : beaucoup de photons qu'on ne distingue pas individuellement et on retrouve des ondes habituelles non quantifiées.

Voilà, j'espère que c'est un peu plus clair.

[soliris]

Amusante, cette notion de champ. Prenons le cas d'une rangée de mille dominos qui se couchent es uns après les autres, en se communiquant une force de poussée intrinsèquement dirigée. Peut-on déterminer que l'espace où cette force s'applique, entre le début et la fin du "geste", est un champ de force ?
J'ai comme un sentiment de vide, rien que d'y penser.

Heureusement, en fait, que les notions quantiques existent, qui semblent justement ne pas tenir compte de l'espace, si j'ai bien compris l'intrication.
D'un autre côté, l'analyse dimentionnelle pourrait venir au secours de la notion de champ: le champ électrique y est traduit comme ETANT une accélération de charges, bien autrement que PORTEUR de cette accélération; mais ceci n'est pas encore dans les moeurs.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Amusante, cette notion de champ. Prenons le cas d'une rangée de mille dominos qui se couchent es uns après les autres, en se communiquant une force de poussée intrinsèquement dirigée. Peut-on déterminer que l'espace où cette force s'applique, entre le début et la fin du "geste", est un champ de force ?
J'ai comme un sentiment de vide, rien que d'y penser.

Dans le cas d'espèce on n'a pas vraiment besoin d'un champ pour modéliser ça, mais tu peux voir comme une "image vulgarisée et discrétisée" de la propagation dans un champ.
Habituellement on utilise plutôt une chaîne couplée d'oscillateurs (c'est techniquement plus proche d'un champ).

Heureusement, en fait, que les notions quantiques existent, qui semblent justement ne pas tenir compte de l'espace, si j'ai bien compris l'intrication.

Attention, l'intrication ne permet pas le transfert d'un signal, quel qu'il soit (le mécanisme de réduction est interprétatif, par exemple).
Par contre il oblige à une description globale et non séparable (ce que je disais à propos du cas de deux photons intriqués, on ne peut les décrire séparément) qui ne dépend pas de la distance.... mais ça ne veut pas dire que l'espace est ignoré (dans une onde quantique qui se propage, l'espace intervient bel et bien).

D'un autre côté, l'analyse dimentionnelle pourrait venir au secours de la notion de champ: le champ électrique y est traduit comme ETANT une accélération de charges, bien autrement que PORTEUR de cette accélération; mais ceci n'est pas encore dans les moeurs.

C'est surtout qu'écrit comme ça.... ça ne veut pas dire grand chose. Soliris, essaie de prendre comme adage la citation de Boileau : "Ce que l'on conçoit bien s'énonce clairement, Et les mots pour le dire arrivent aisément." Par ce qu'il y a des moments j'ai l'impression que tu mélanges tout ou que tu rédiges en étant sous l'emprise de substances illicites .

[ecolami]

Bonsoir,
MERCI pour cette longue réponse qui confirme ce que j'ai écrit: on décrit parfaitement les champs sans avoir aucune idée de ce qui leur permet d'agir a distance.
Ce que j'ai compris aussi c'est que les champs que j'ai cité ne semblent pas exercer leur action via une onde sinon on pourrait (imaginer de) réaliser une experience d'interférences.

[ThM55]

Je ne comprends pas votre remarque. Pourquoi et comment les ondes électromagnétiques ne seraient-elles plus des ondes? Avouez que c'est plutôt bizarre.

[Deedee81]

Salut,

MERCI pour cette longue réponse qui confirme ce que j'ai écrit: on décrit parfaitement les champs sans avoir aucune idée de ce qui leur permet d'agir a distance.

Je vois mal comment tu déduits ça de ma réponse. Avec le champ électromagnétique ou gravitationnel par exemple, on sait parfaitement décrire le processus d'action à distance.

Peut-être veux-tu dire "de quoi sont fait les champs" (et qui donc leur permettrait d'agir à distance... ou pas d'ailleurs) ??? Bon, la question de la "nature des choses" est non scientifique mais on peut au moins décrire les champs de manière plus "intime" : c'est des photons pour l'électromagnétisme, la géométrie de l'espace-temps pour la gravité (le graviton reste hypothétique). Dans ce dernier cas, par exemple, l'équation d'Einstein permet de voir comment la courbure varie de point en point et comment des masses distantes peuvent s'attirer.

Ce que j'ai compris aussi c'est que les champs que j'ai cité ne semblent pas exercer leur action via une onde sinon on pourrait (imaginer de) réaliser une experience d'interférences.

Mais on peut. Et l'expérience de Young alors ????

Note qu'une onde est purement et simplement une variation périodique et progressive d'un champ. Prenons la mer. En chaque point la hauteur de l'eau est légèrement variable. Cela constitue un champ (scalaire). On peut avoir divers remous ou .... des vagues. Qui sont des ondes et peuvent se décrire avec ce champ de hauteur d'eau.

Evidemment, on pourrait aussi avec les ondes gravitationnelles, mais bonjour pour mesurer ça (c'est déjà difficile de capter une onde gravitationnelle émise par des machins qui font des milliards de milliards de tonnes, alors en labo pour une expérience de Young, faut pas trop rêver). A moins que dans un prochain avenir ont ait beaucoup de détecteurs (des dizaines) et qu'un ait la chance de capter deux ondes gravitationnelles en même temps, auquel cas on devrait tenir compte des possibilités d'interférences.

Peut-être parlais-tu des champs électriques et magnétiques. Et bien, si, c'est les interférences des ondes électromagnétiques, tout bêtement. Car le champ électrique et magnétique ne peuvent être séparés, c'est des frères siamois, les deux faces d'un et un seul champ, le champ électromagnétique.