Aspect quantique de l'interaction électromagnétique

[Snoopy55600]

Bonjour,

J'ai lu dans plusieurs ouvrages de vulgarisation que l'interaction électromagnétique est véhiculée par des photons. Je conçois bien comment un échange de particules peut générer une force répulsive entre 2 electrons, mais je n'arrive pas comprendre comment il peut générer une force attractive entre un électron et un positron ou un proton. Par ailleurs, le fait qu'un même mécanisme d'échange de photons soit tantôt attractif tantôt répulsif me semble contre-intuitif. Quelqu'un peut-il m'éclairer?

Par avance merci.
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[La Limule]

Bon courage a celui ou celle qui va s'y coller

[Deedee81]

Salut,

Bon courage a celui ou celle qui va s'y coller

Ce n'est en effet pas simple. Ca a déjà été discuté sur Futura mais pour retrouver ça, dur dur. Notons que ça s'applique aussi aux autres interactions (faible, forte, peut-être aussi gravitationnelle).

Avec les mains :

L'échange de particule se fait dans tous les sens. A priori le bilan d'énergie/impulsion est nul. Ce n'est pas du tout comme deux bonhommes qui se repousseraient en se jetant des balles.
Les particules échangées sont dites virtuelles (car elles ne sont pas observées directement, elles partent d'un électron et disparaissent à l'autre). Et leur existence très courte. Dans ces circonstances, le principe d'indétermination de la mécanique quantique implique que ces photons peuvent avoir n'importe quelle énergie même négative ! (plus encore, les particules virtuelles ne sont pas sur la "couche de masse", c'est-à-dire qu'elles ne respectent des équations comme mc² qu'en première approximation). C'est ce qui explique que ce soit nul.

Maintenant ces photons virtuels ne font pas qu'aller d'un électron à l'autre. Ils interagissent avec ces électrons. Et cela modifie l'énergie totale. Le terme (dans l'énergie) d'interaction est du type q * A (où A est un champ représentant le champ électromagnétique et q est la charge de la particule. Et quand on prend l'expression totale pour deux particules 1 et 2 on va avoir un truc comme q1*q2*A.

Si les deux particules ont le même signe (versus des signes différents) alors cette grandeur est positive (vs négative), donc l'énergie totale augmente (vs diminue). De plus c'est fonction de la distance (là c'est coton à montrer mais c'est lié à A), ça diminue avec la distance (in peut aussi montrer ça par une analyse "avec les mains" avec le principe d'indétermination mais c'est un peu long à écrire (*)). Or la force subie ce n'est rien d'autre que la variation de l'énergie avec la distance (avec un changement de signe, c'est de la pure mécanique newtonienne cette relation). Et du fait de la variation de l'énergie, on a alors une force répulsive (vs attractive).

(*) retrouvé ça existe un peu partout : https://unpeudephysique.tumblr.com/p...s-interactions
(j'ai aussi un message quelque part sur Futura que j'avais fait avec ça et le raisonnement initial est de Dirac il me semble)

[La Limule]

J'ai dit Bon courage, car Snoop55600 demande a ce qu'on l'aide a comprendre quelque chose dans le domaine scientifique ....
Mais la science n'est
Il y a une phrase due a Alan Greenspan qui me fait toujours rire:
Si vous m'avez bien compris c'est que je me suis mal exprimé
En plus d'etre drole elle est tres juste en physique.
Le but de l'enseignement c'est d'apprendre dans telle ou telle situation quel calcul ou formule il va devoir etre utile quitte a mettre sous
le tapis la question du pourquoi. Un exemple qui d'ailleurs apparait dans la question de Snoop: la règle des signes
Pourquoi -1 au carré ca fait 1?
On aurait du mal a donner une explication sauf que c'est cohérent avec les formule ou on a que des nombres positifs
Pour l'aire d'un champ carré de coté N on peut considérer qu'on lui ajoure une longueur de s metres ou s peut étre négatif
la nouvelle surface dans le calcul commence par N^2 puis on a 2 N s . La ca va encore car c'est normal que l'aire diminue si s est négatif
puis on ajoute s au carré avec la règle des signes parce que le coup d'avant on a trop retiré.
bref pour que la formule pour (a+b) au carré marche aussi pour b négatif.
On a pas répondu au pourquoi , on a appris une règle et on s'empresse d'oublier qu'un jour on a demandé pourquoi.
Et selon moi c'est ce qu'il faut faire.
Sauf qu'ici les forumeurs en général les formules ils détestent. ils veulent comprendre sans formule
D'ailleurs il faut voir coment s'affiche dans le latex qui nous est proposé. Si vous
aimez c'est que vous etes pervers.

Ceci dit pour ne pas etre complétement négatif j'ajouterai que le coté répulsif-attractif
provient d'un dans une formule ou s est le spin du boson qui agit.
Pour le graviton s = 2 donc deux masses de meme signe s'attirent.
Pour le photon s = 1 et des charges de meme signe se repoussent.
Et Deedee81 a raison ca a lieu dans une formule sur les énergies car il n'y a pas de notion fondamentale de force en MQ.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

J'ai dit Bon courage, car Snoop55600 demande a ce qu'on l'aide a comprendre quelque chose dans le domaine scientifique ....

Alors tu peux dire "bon courage" dans (presque) toutes les discussions sur Futura

Il y a une phrase due a Alan Greenspan qui me fait toujours rire:
Si vous m'avez bien compris c'est que je me suis mal exprimé

Arf

La science (surtout en physique) ne peut être vraiment comprise que par l'examen attentif de :
- les expériences (comment ont-elles été menées, avec quels instruments)
- des résultats
- de la théories (ou des théories)
Ce qui est évidemment très ardu puisque la science est une "construction" : une accumulation de connaissances. Impossible de monter au dixième étage sans avoir monté les neufs en-dessous

Mais il y a aussi la vulgarisation (et à proprement parler c'est ce qu'est Futura, un forum de vulgarisation, même si on va aussi plus loin). Et c'est une manière de décrire la science. Ca peut évidemment toujours se faire (comme je peux décrire à un non informaticien ce qu'est mon boulot). Mais il est vrai que :
- en soi, c'est tout un art (plus qu'une science, mais le vulgarisateur a intérêt a AUSSI maîtriser le conté scientifique)
- ça fait intervenir la pédagogie qui est loin d'être innée (ça demande beaucoup d'expérience, avoir donné des cours particulier m'a beaucoup aidé dans ce domaine)
- il y a différents niveaux de vulgarisation : du lecteur averti (voir même d'un spécialiste qui veut d'abord un aperçu d'un truc) au grand public

Il faut être conscient des limites de la vulgarisation. Et ça c'est à la fois pas évident pour le profane et même parfois difficile à cerner pour le spécialiste.

P.S. tu parles d'enseignement mais futura n'est pas une salle de cours

Pour le graviton s = 2 donc deux masses de meme signe s'attirent.
Pour le photon s = 1 et des charges de meme signe se repoussent.

Question de la mort qui tue : peux-tu expliquer "avec les mains" pourquoi ?
Franchement moi, je ne saurais pas.
(d'ailleurs pour s = 0, deux charges de même signe s'attirent ou se repoussent, c'est pas aussi simple, c'est lié au terme d'interaction mais pour la gravité je ne le connais pas mais "yaka" chercher du coté lagrangien et pour la chromodynamique quantique c'est gasppppp, c'est compliqué mais bon c'est SU(3) c'est pas trivial, en plus ce n'est s = 0 que pour l'interaction dérivée, entre nucléons, transmis par les pions)

P.S.2 : cette partie est totalement anti-pédagogique. Je te parie une sucette en carton que le primo-posteur ne sait pas ce que signifie s = 2 etc...

[Antonium]

Bonjour,

Ma réponse ne concerne pas directement la question de l’OP (à laquelle Deedee a bien répondu), mais est plutôt une remarque face à l’intervention de Limule (libre aux modérateurs de supprimer s’ils estiment HS) :

Le but de l'enseignement c'est d'apprendre dans telle ou telle situation quel calcul ou formule il va devoir etre utile quitte a mettre sous
le tapis la question du pourquoi.

Je ne suis absolument pas d’accord. Surtout pas en physique. Il est essentiel de se forger une intuition et de comprendre principes et mécanismes physiques en jeu. Bien sûr il est également essentiel de s’assurer que l’on maîtrise ces concepts en les applicant lors de la résolution de problème. Bien que le premier (intuition et compréhension physique) puisse se passer du second (formule à utiliser dans la résolution de problème) dans le cas de la vulgarisation (mais absolument pas dans l’éducation d’un scientifique), le second ne devrait jamais aller sans le premier.

J’ai vu des étudiants au niveau master (!!!) demander «*quelle formule ont-ils le droit d’utiliser*». Je trouve que cela est une catastrophe pédagogique du cursus antérieur, la physique se fait d’abord par compréhension de phénomènes, et pas par une quelconque jurisdiction des formules à utiliser ou non. Que faire lorsqu’on s’attaque à un problème jamais résolu ? On prie le ciel pour espérer entendre une voix disant quelle formule utiliser ? Encore une fois, la physique ce n’est pas ça.

Il est également vrai que certains (beaucoup) de phénomènes sont difficilement explicables à partir de l’intuition ordinaire que l’on se fait dans la vie de tous les jours. Lorsqu’on voit une explication on peut se dire que c’est juste un ramassis de formules. Cependant avec un peu d’éducation on commence à voir au delà de ces formules pour comprendre la physique qui se cache derrière. C’est comme ça que les mathématiques peuvent servir de support à une explication physique. Mais dans aucun cas c’est une énumération de formules qu «*l’on a le droit*» d’utiliser dans telle ou telle situation. Ou alors c’est de la très mauvaise vulgarisation.

[ThM55]

Bonjour. Je me souviens qu'il y a 20 ou 30 ans la revue American Journal of Physics, une revue scientifique qui publie des articles à visée plus pédagogique que recherche (c'est publié par l'AAPT, American Association of Physics Teachers) avait ouvert un concours qui consistait à formuler la meilleure réponse à cette question. Deedee81 aurait peut-être pu gagner un prix?

D'autres ont déjà tenté d'expliquer cela. En particulier le mathématicien John Baez, qui est cousin de la chanteuse folk Joan Baez, que les plus jeunes ne connaissent probablement pas. Je me souviens de deux ou trois 33 tours d'elle qu'on écoutait souvent dans les années 1970, mais cela n'a rien à voir, je m'égare.

Je donne ce lien, c'est en anglais: https://math.ucr.edu/home/baez/physi...active%20force.

Les navigateurs et Google (ainsi que GPT) donnent la possibilité de la traduire en français si vous ne connaissez pas le patois américain mais attention, ils détruisent les jolis diagrammes ascii.

En très résumé le point central de son explication est la remarque que l'impulsion échangée par le photon virtuel peut être dans la direction allant de la particule qui reçoit le photon vers celle qui l'émet! Il en résulte évidemment une force attractive. En réalité son explication est bien plus longue mais elle est aisée à comprendre et donne à mon avis une image assez fidèle de ce que fait l'électrodynamique quantique.

[La Limule]

L'explication de l'attraction ou répulsion donnée par Deedee81 est celle donnée dans des ouvrages de référence. Elle est basée sur
le signe d'une énergie.
J'avais signalé qu'il existait un texte qui considérait des champs étudiés dans un ordre de spin croissant.
je l'ai retrouvé. Il n'est malheureusement pas en ligne. C'est un livre de Anthony Zee intitulé
Quantum Field Theory in a nutshell.
Après un bref rappel de la machinerie des intégrales de chemin,des fonction Z etc (faut suivre ) il passe a la
toute premiere démonstration du livre.
On a un champ scalaire phi et deux fonctions de dirac qui sont des sources situées en x1 et x2
ei il démontre que le couplage de ces deux sources avec le champ de spin o dans le quel elles sont entraine une diminution
de l'énergie: elles s'attirent.
Un chapitre suivant est intitulé Coulomb et Newtion , répulsion et attraction
Il reprend les calculs en champ de spin 1
Pour des charges de meme signe l'énergie augmente (elle est en 1/ 4 pi r
il y a répulsion
Il passe en suite aux masses (de meme signe donc) en présence de gravitons (spin 2) l'équation 17 montre que les masses s'attirent.

il décrit ensuite comment tout ceci a structuré notre univers. il y a un point intéssant:
Les particules de spin 0 qui médient la force nucléaire entre les protons et les neutrons ont allumé les étoiles.

[curieuxdenature]

Bonjour
j'ai retrouvé dans mes fouffes la traduction de la page de Baez:

http://www-cosmosaf.iap.fr/Questions...virtuelles.htm

[ThM55]

L'explication de Zee est excellente, mais on ne peut pas vraiment la considérer comme de la vulgarisation.

On peut aussi garder à l'esprit ce que le merveilleux prof qu'était Sidney Coleman disait à propos des diagrammes de Feynman et des particules virtuelles (dans son cours de QFT dont les notes ont été publiées posthumes dans un gros bouquin chez l'éditeur singapourien World Scientific et consultable en vidéos): au §10.2, il explique que l'interprétation en terme d'échange de particules est métaphorique. Il ajoute (ma traduction):

cette interprétation est due à Feynman qui, en bricolant, par un miracle, a obtenu ces règles avant Dyson et Wick. Le miracle était génétique : Feynman était un génie. Des facteurs comme (10.29) donnent l'amplitude de probabilité, dans le langage métaphorique, pour que la particule virtuelle aille entre les deux sommets comme dans le diagramme (a) (...) J'insiste, ce langage est purement métaphorique. Si vous ne voulez pas l'utiliser, ne l'utilisez pas. Mais alors vous trouverez 90% des physiciens du monde entier impossible à comprendre quand ils donneront leurs séminaires. C'est très pratique, mais ce n'est pas à prendre trop au sérieux.

Concrètement, cela signifie que la question initiale ne doit pas nous obnubiler car l'échange de particules virtuelles est une métaphore. Une métaphore n'est jamais un reflet totalement fidèle de la réalité et on perd son temps en essayant de la justifier et de la comprendre comme dans le cas où deux personnes sur des barques sur l'eau se lancent un ballon.

[La Limule]

D'ou un message ou je disais qu'a la fin des fins, si on "a compris" c'est qu'il y a plein de choses sous le tapis.