Bonjour à tous !
Je viens de lire dans le bouquin de Tannoudji cette phrase qui m'interpelle :
"...correction à l’énergie cinétique de l’électron due au fait qu’il est alourdi par le nuage de photons virtuels qui l’entourent"
Les photons ayant une masse nulle, je ne comprends pas ???
Ce sont des photons virtuels, qui ne sont pas... des photons, du moins pas des photons tels que nous les connaissons comme particules libres de masse nulle.
Dans la théorie moderne inventée entre 1930 et 1950, appelée "théorie quantique des champs", l'électron (ainsi que le positron) et le photons sont chacun des excitations d'un champ. Le champ électromagnétique pour le photon. Le champ de Dirac pour l'électron, qui contrairement au champ électromagnétique n'a pas de manifestation macroscopique. On peut les étudier séparément, indépendamment l'un de l'autre, comme s'ils pouvaient s'ignorer mutuellement. Et la masse apparait comme un paramètre (expérimental) à fourrer dans les équations: masse nulle pour le photon, masse non nulle pour l'électron.
Mais ce n'est pas la réalité: l'électron est chargé, il interagit avec le champ électromagnétique. Cela se voit dans les équations avec un terme qui multiplie des fonctions du champ de Dirac et du champ électromagnétique ainsi qu'une constante de couplage, la charge de l'électron. Le malheur c'est que si on fait cela les équations deviennent trop compliquées à cause de ce terme de produit, elle deviennent non linéaires, les effets quantiques sont inextricables et on ne sait plus les résoudre, sauf dans quelques rares cas limites dont la pertinence physique n'est pas immédiate (par exemple des modèles ou l'espace-temps n'aurait plus que 2 dimensions au lieu de 4).
Mais on n'est pas bloqués là. On a alors recours à un truc, une méthode d'approximations successives, mise au point par Schwinger, Tomonaga et Feynman. La première approximation, c'est les particules libres qui s'ignorent. On sait résoudre ça. Mais il faut aller plus loin car on veut décrire les interactions entre particules. En deuxième approximation, en troisième, et ainsi de suite, on a des termes plus compliqués, qui font intervenir des puissances de plus en plus élevées de la constante de couplage et des intégrales de plus en plus nombreuses. C'est un développement en série, qui d'ailleurs n'est pas convergent, mais qui donne de bons résultats par ses premiers termes. On s'arrête souvent à la première approximation, cela donne déjà des résultats satisfaisants, mais les effets quantiques qui ont valu un prix Nobel aux trois physiciens que j'ai mentionnés correspondent à un calcul d'ordre plus élevé (on savait faire tous les calculs de premier ordre avant eux, dès la fin des années 1930).
Feynman a formalisé cette méthode de calcul, fort compliquée, par des diagrammes, des graphes, qui servent de truc mnémotechnique pour écrire les formules à calculer. Les lignes externes correspondent aux particules externes préparées ou observées dans l'expérience de collision. Les lignes internes représentent les facteurs et les intégrales qui apparaissent dans le calcul. C'est tellement évocateur qu'on donne des noms à certaines de ces lignes internes, on les appelles des "photons virtuels" ou des "électrons ou positrons virtuels". Le "nuage de photons virtuels" représentent un sous ensemble de ces terme de correction. Il ne faut pas prendre cela au pied de la lettre. Si on le fasait, on verrait que les photons virtuels en question ne sont pas une masse nulle. Mais comme je l'ai dit ce sont des sortes d'excitations du champ électromagnétique qui ne sont jamais observées directement, on les observe par leur effet indirect sur les lignes externes du graphe de Feynman.
En fait la prise en compte des interactions par cette méthode modifie la masse de l'électron. Cela n'a rien d'étonnant. Il y a une analogie qui permet de le comprendre: un ballon plongé dans un liquide devient plus difficile à déplacer, même si on a un liquide sans viscosité ni frottement: pour que le ballon accélère, il doit déplacer du fluide autour de lui et l'accélérer aussi, donc tout se passe comme si le ballon avait acquis une masse supplémentaire qui en fait est celle du fluide. L'analogie n'est pas parfaite car si on peut sortir le ballon de l'eau, on ne peut pas "éteindre" le couplage entre l'électron et le photon. Il y a donc une modification de la masse. La masse qu'on avait posée au départ dans le champ libre n'est pas la masse expérimentale de l'électron. Ce qu'on fait est qu'on pose celle-ci égale à la masse corrigée à un certain degré d'approximation choisie. Et en terme de graphes de Feynman, cette correction est exprimée par un "nuage de photons virtuels". Voilà très exactement ce que Tannoudji voulait dire.
Dernière modification par ThM55 ; 22/12/2021 à 21h46. Motif: ortaugraf
Merci pour tes explications très claires ! Super !
Existe-t-il des documents en français qui permettent d'aborder ce sujet ?
Oui, le livre de Feynman, Lumière et Matière (Seuil): https://www.seuil.com/ouvrage/lumier.../9782020147583 .
